JP4078898B2 - Thermo-optic phase shifter and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は消費電力の低減を図った熱光学位相シフタ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信分野における多チャンネル化は、波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)通信方式の出現により急速に促進されている。それに伴い、チャンネル毎の機能的な制御、例えば各チャンネルのパワーを一定に揃えたり、スイッチングを行ったりといったことを実現しようとすると、チャンネル数に応じた数の光素子が必要となってくる。
【0003】
このため、近時、光スイッチ等に適用でき、高密度集積が可能な小型光回路部品の必要性が高まっている。従来、既に単体の光スイッチが実現されており、これらの光スイッチを多数使用した複数の入出力ポートを持つマトリックススイッチも実用化されている。光スイッチを実現する技術としては、入力ポート及び出力ポートを機械的に動かして接続する方法(例えば、特開平9−5653号公報)、可動式のミラーを回転して所定の角度に傾けることにより入力ポートと出力ポートとを接続する方法(例えば、特開2001−255474号公報及び電子情報通信学会総合大会予稿C−3−8(2002年)p.140)、液晶を使用する方法(例えば、特開昭62−187826号公報)、交差接続された導波路の交差点で泡を発生させる等の手段により光の反射を制御し入力・出力ポート間の接続を変更する方法等、多岐に渡る技術が提案されている。
【0004】
その中でも、熱光学位相シフタを利用した平面光波回路(PLC:Plan Light-wave Circuit)型デバイスは、その作製プロセスに半導体回路の作製技術を利用できることから、作製の容易さ及び集積性が極めて優れており、高機能化・大規模化にも有利であるという特長をもつ。
【0005】
通常、熱光学位相シフタは次のようにして実現される。先ず、基板上にクラッド層及びコアからなる光導波路を作製する。そして、この光導波路上に金属薄膜等を成膜して光導波路に沿った細線形状に加工し、通電できるようにする。この薄膜に外部から電力を投入すると、薄膜の電気抵抗により熱が発生して、光導波路のヒータとして動作する。このヒータにおいて発生した熱は、光導波路のクラッド層を伝わりコアに達する。その結果、光導波路におけるヒータで加熱された部分の屈折率が増加し、屈折率変化量と導波路長とに対応して実効導波路長が長くなり、出力端における光の位相がシフトする。ヒータに投入する電力を調節することにより、位相のシフト量を任意に制御することができる。なお、光導波路が石英ガラスにより形成されている場合、石英ガラスの屈折率温度係数(dn/dT)は約1×10−5(/℃)である。
【0006】
そして、1本の光導波路を入力端において2本に分岐して、その少なくとも一方を熱光学位相シフタに接続し、出力端において2本に分岐した光導波路を再結合させることにより、光スイッチを実現することができる。例えば、2本の分岐された光導波路を導波する光の位相を相互に半波長分シフトさせることにより、出力端における出力をゼロとすることができる。また、前記位相をシフトさせなければ、入力されたままの光を出力することができる。これにより、出力のオン・オフを制御することができる。
【0007】
しかしながら、多チャンネル化に対応するために、1つの光回路内に複数の熱光学位相シフタを配置する場合には、1つの熱光学位相シフタが消費する電力が大きいと、光回路全体の消費電力が極めて大きくなってしまう。これまでに実用化された熱光学位相シフタにおいては、例えば光通信に通常使用される波長が1550nmの光を導波させる場合、位相を半波長分変化させるために必要な電力は、1チャンネル当たり400mW程度であった。従って、例えば40チャンネルの光通信回路を制御するために、各チャンネルに、前述の熱光学位相シフタを利用したスイッチを設けたとすると、最大で40×400mW=16000mW=16Wもの電力を必要とする。なお、研究レベルでは1チャンネル当たりの消費電力が40mW程度である熱光学位相シフタも報告されているが、熱光学部品に要求される高集積化に対しては、これでもまだ消費電力が大き過ぎる。
【0008】
熱光学位相シフタの消費電力を低減するために、光導波路を形成する材料を屈折率の温度係数が大きい材料へ変更する方法、例えばポリマーを導波路に使用する方法が提案されている(例えば特許第2848144号、Y.Hida etal. IEEE Photon. Technol. Lett. Vol.5(1993) pp.782−784、電子情報通信学会総合大会予稿C−3−10(2002年)p.142等)。
【0009】
また、熱光学位相シフタの構造を、ヒータにおいて発生した熱が外部へ逃げないように、光導波路間に溝を設けた構造とする技術も提案されている(例えば、電子情報通信学会総合大会予稿C−3−61(2001年)p.226、電子情報通信学会総合大会予稿C−3−64(2001年)p.229、Q.Lai et al. IEEE Photon. Technol. Lett. Vol.10(1998)pp.681−683)。これらの文献には、溝を設けることにより、少ない投入電力で所望の温度上昇量を得ることができると記載されている。
【0010】
更に、ヒータが発した熱が基板に逃げることを防止するために、コアの下方に位置するクラッド層を厚くする方法もある。更にまた、シリコン基板上に形成された熱光学位相シフタにおいて、ヒータが発した熱が基板に逃げることを防止するために、光導波路の下方に位置する基板表面を除去し、光導波路をブリッジ構造にする技術も開示されている(例えば、特開平1−158413号公報、特開平5−34525号公報、特開2001−222034号公報)。更にまた、論文「A.Sugita et al. Trans. IEICE、Vol.E73(1990)pp.105−109」には、光導波路の下方に位置するシリコン基板の一部を残し、光導波路をシリコン基板に対して支持する支柱とする技術も開示されている。
【0011】
更にまた、特許第3152182号公報には、石英基板上に選択的にシリコン薄膜を形成し、このシリコン薄膜を覆うようにアンダークラッドを形成し、このアンダークラッド上におけるシリコン薄膜の上方に相当する位置にコアを形成し、このコアを覆うようにオーバークラッドを形成して光導波路を形成し、この光導波路上にヒータを形成し、光導波路を挟む位置に前記シリコン薄膜まで到達する溝を形成し、この溝を介して前記シリコン薄膜を除去する技術が開示されている。これにより、光導波路と石英基板との間に隙間を形成することができ、熱光学位相シフタの消費電力を低減することができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来の技術には、以下に示すような問題点がある。光導波路をポリマーにより形成する場合、ポリマーは吸湿性が高く、熱光学位相シフタの製造中及び使用中に水分を吸収することにより膜質が劣化してしまい、石英ガラスにより形成される光導波路と比較して、光の伝搬損失が大きくなるという問題がある。また、ポリマーにより形成された光導波路上に、この光導波路を保護するパッシベーション膜を形成することも困難である。このため、ポリマーにより形成された光導波路は、石英ガラスにより形成された光導波路と比較して、安定性が低く、信頼性が劣る。また、石英ガラスにより形成された光導波路の一部にポリマーを埋め込む方法も考えられるが、作製工程の複雑化、低い再現性、石英ガラスとポリマーとの界面において生じる伝搬損失の増大といった問題がある。
【0013】
また、光導波路間に溝を設ける方法においては、ある光導波路の直上に配置されたヒータから発した熱が、隣接する他の光導波路に伝達されることは防止できるものの、ヒータの熱が基板に逃げることは防止できず、消費電力を低減する効果は小さい。
【0014】
更に、コアの下方のクラッド層を厚くする方法においては、成膜中にクラッド層内に生じる応力によりクラックが発生するという問題点がある。また、この応力により、基板に反りが発生するという問題点もある。更に、この応力により、光導波路の光学特性が劣化する。更にまた、成膜時間が長くなるため、大量生産には向かない。このため、クラッド層を厚く形成することは、プロセス上困難である。
【0015】
更にまた、光導波路の下方に位置するシリコン基板の表面を除去する技術においては、シリコン基板をエッチングするために、エッチング液としてフッ硝酸等の強酸が必要となる。シリコン基板をエッチングする際には、ヒータをレジストで覆い保護するが、このレジストがフッ硝酸に耐えられず、エッチングによりヒータが損傷を受ける。このように、シリコン基板をエッチングする方法には、プロセス上の問題点がある。また、シリコン基板の一部を除去することにより、熱光学位相シフタの強度を確保するための基板自体を脆弱化させていることになり、結果として素子の機械的強度の低下を招くという問題点がある。また、シリコン基板をエッチングすることにより、クラッド層への応力の印加状態が変化して不安定な状態となり、光導波路を構成するクラッド層自体の機械的強度及び光学特性が低下するという問題点がある。更にまた、論文「A.Sugita etal. Trans. IEICE Vol.E73(1990)pp.105−109」に記載されているように、シリコン基板の一部を支柱として残すと、シリコンは熱伝導性が高いため、光導波路の断熱効果が著しく損なわれ、当初の低消費電力化の目的を果たせない。
【0016】
更にまた、特許第3152182号公報に開示されている技術、即ち、基板上に選択的にシリコン薄膜を設け、後の工程でこのシリコン薄膜をエッチングすることにより基板と光導波路との間に隙間を形成する技術においても、シリコン薄膜のエッチングが困難であるという問題点がある。また、選択的に形成されたシリコン薄膜を覆うようにアンダークラッドを形成するため、このアンダークラッドの上面が平坦にならず、このアンダークラッド上にコア、オーバークラッド、ヒータの各層を形成することが困難であるという問題点がある。
【0017】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、作製が容易で、光学特性並びに強度、安定性及び信頼性が良好で、消費電力が小さい熱光学位相シフタ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱光学位相シフタは、基板と、この基板上に設けられた犠牲層と、この犠牲層上に設けられたクラッド層と、このクラッド層内に直線又は曲線状に設けられ光導波路を構成するコアと、このコアの直上域又は直下域を含む領域に設けられ発熱することにより前記光導波路の光の位相を変化させるヒータと、を有し、前記犠牲層及び前記クラッド層における前記ヒータの少なくとも直下域を挟む領域に溝が形成されており、前記溝に挟まれた前記犠牲層が除去されて、前記溝に連結された4μm以上の隙間が形成されていることを特徴とする。
【0019】
本発明においては、ヒータにより光導波路を加熱することにより、この光導波路を導波する光の位相を変化させることができる。このとき、クラッド層における前記ヒータの少なくとも直下域を挟む領域に溝を形成し、前記クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に前記溝に連結された4μm以上の隙間を形成することにより、ヒータで発生した熱がクラッド層を介して基板に直接伝達することを抑制でき、光導波路と基板との間の断熱性が向上する。これにより、少ない加熱量で効率良く光導波路の温度を上げることができる。また、クラッド層における溝間の部分が基板から分離されることで光導波路にかかる応力が低減され、光学特性の劣化を防ぐことができる。更に、溝により光導波路が周辺のクラッド層から分離されることにより、光導波路に印加される応力を著しく低減することができ、応力の印加による光学特性の劣化を抑制することができる。この結果、熱光学位相シフタの光学特性が良好となり、且つ、消費電力が大幅に低減される。この結果、多数の熱光学位相シフタを大規模に集積することが可能となる。更にまた、ポリマーを使用していないため、安定性及び信頼性が優れ、製造が容易である。更にまた、フッ硝酸等の強酸によりシリコンをエッチングするプロセスがないため、製造が容易である。
【0020】
本発明に係る他の熱光学位相シフタは、基板と、この基板上に設けられ前記基板を形成する材料よりもエッチング速度が大きい犠牲材料により形成された犠牲層と、この犠牲層上に設けられ前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により形成されたクラッド層と、このクラッド層内に直線又は曲線状に設けられ光導波路を構成するコアと、このコアの直上域又は直下域を含む領域に設けられ発熱することにより前記光導波路の光の位相を変化させるヒータと、を有し、前記犠牲層及び前記クラッド層における前記ヒータの少なくとも直下域を挟む領域に溝が形成されており、前記溝に挟まれた前記犠牲層がエッチングにより除去され、前記クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に前記溝に連結された隙間と、前記隙間における前記コアが延びる方向の一部に局部的に設けられ、前記溝に挟まれた前記クラッド層部分を前記基板に対して支持する支持部を有することを特徴とする。
【0021】
本発明においては、ヒータにより光導波路を加熱することにより、この光導波路を導波する光の位相を変化させることができる。このとき、クラッド層における前記ヒータの少なくとも直下域を挟む領域に溝を形成し、前記クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に前記溝に連結された隙間を形成することにより、ヒータで発生した熱がクラッド層を介して基板に直接伝達することを抑制でき、少ない加熱量で効率良く光導波路層の温度を上げることができる。この結果、消費電力が大幅に低減され、大規模集積化が可能となる。
【0022】
また、基板の全面に犠牲層を形成することにより、この犠牲層の上面が平坦となり、クラッド層の形成が容易になると共に、光導波路の光学特性が良好になる。更に、溝を介してクラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間の犠牲層を選択的に除去することにより、簡便に前記隙間を形成することができる。この結果、光学特性が優れた熱光学位相シフタを、容易に制御性良く高収率で作製することが可能となる。また、犠牲層及びクラッド層の成膜を連続的に行うことができ、作製プロセスを大幅に簡略化することができる。この結果、作製コスト低減と高収率化とを実現することが可能である。なお、犠牲層を断続的に設けることにより、犠牲層内に生じる応力を十分に開放でき、成膜プロセスの高信頼性と高い再現性を実現することができる。
【0023】
また、前記隙間の一部に設けられ、前記クラッド層における前記溝間の部分を前記基板に対して支持する支柱部を有していてもよい。これにより、光導波路層に印加される応力が小さくなるため、光学特性の劣化を防ぐことができる。更に、光導波路の強度を確保でき、高密度集積化にも有利となる。
【0024】
更に、前記支柱部が前記犠牲材料により形成されていてもよい。これにより、支柱部を形成するために特別な工程を設けることなく、前記犠牲層をエッチングする工程を途中で止めることにより、支柱部を形成することができる。
【0025】
又は、前記支柱部が前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により形成されていてもよい。これにより、犠牲層のエッチングを途中で停止して支柱部を残す場合と比較して、支柱部の形成を自己整合的に行うことができ、作製の制御性及び再現性が向上し、支柱部の形状のばらつきが小さくなる。また、支柱部を熱伝導率が小さい材料により形成することにより、熱光学位相シフタの消費電力をより一層低減することができる。
【0026】
更にまた、前記犠牲材料の熱伝導率が、前記基板を形成する材料の熱伝導率よりも小さいことが好ましい。これにより、犠牲層の一部をヒータ下方域に残したとしても、この犠牲層の熱伝導率が小さいことにより、ヒータで発生した熱が基板に伝達することを極力抑制でき、少ない加熱量で効率良く光導波路層の温度を上げることができる。この結果、1つの熱光学位相シフタにおける消費電力が大幅に低減され、大規模集積化が可能となる。
【0027】
更にまた、前記犠牲材料がリンを含むガラス材料であり、前記クラッド層を形成する材料がボロン及びリンを含むガラス材料であることが好ましい。これにより、犠牲層とクラッド層との間でBHF溶液によるエッチング速度差が十分に得られ、犠牲層除去工程でクラッド層を劣化させることがないために、作製工程の高い信頼性及び良好な再現性を実現でき、更に、伝搬損失が小さく光学特性が優れた熱光学位相シフタの実現が可能となる。
【0028】
更にまた、支柱部の熱伝導率を基板よりも小さくすることにより、前述の従来の技術に記載されているような基板を支えとする場合と比較して、ヒータから基板側へ熱が逃げる経路を実質的に減少させることができ、大幅な消費電力の低減が可能となる。
【0029】
又は、前記支柱部が、前記コアの直下域において前記コアが延びる方向の一部に形成されていてもよい。これにより、ヒータが設置された光導波路部を周辺のクラッド層から分離して、応力を最大限に開放して光学特性劣化の抑制を図れると共に、この光導波路の一部を基板側から支えることにより、機械的強度も確保することができる。更に、支柱部以外の部分は断熱性が極めて高いため、消費電力を大幅に低減することでき、熱光学部品の大規模集積化が可能となる。
【0030】
更にまた、前記溝を張架するように設けられ、前記クラッド層における前記溝間の部分を、この部分と共に前記溝を挟む部分に対して支持する支持梁を有することが好ましい。これにより、光導波路に印加される応力を最大限開放できると共に、光導波路の強度が向上し、強い機械的振動を受ける環境下での使用も可能となる。なお、支持梁を設けることにより、消費電力が多少増加するが、支持梁の下方にある犠牲層が除去されているため、光導波路から支持梁を介して基板へ熱が逃げることが抑制され、十分な消費電力低減効果が得られる。
【0031】
更にまた、前記溝における前記コアが延びる方向に平行な側面のうち前記コアに近い側の側面は、前記コアが延びる方向における端部において、前記方向における端縁に近づくにつれて前記コアから離れるように湾曲していることが好ましい。これにより、ブリッジ状の光導波路の根元の部分に相当する最も機械的に弱い部分を、作製工程を全く変更することなく補強することができるため、熱光学位相シフタの信頼性をより一層向上させることができる。
【0032】
更にまた、前記ヒータが前記クラッド層の表面に設けられていてもよい。これにより、ヒータから発生する熱が光導波路の温度上昇に寄与せずに基板に直接逃げてしまうことを抑制でき、光導波路の加熱効率を向上させることができる。また、熱光学位相シフタの作製工程が簡略化され、高収率性を実現することが可能となる。
【0033】
又は、前記ヒータが前記クラッド層中に設けられていてもよい。これにより、ヒータが空気中に曝されないことで安定化を図れると共に、作製中にヒータがエッチング液などにより変形を受けたり変質が起きたりすることが無くなり、信頼性が高い熱光学位相シフタを作製することが可能となる。
【0034】
更にまた、前記コア及び前記クラッド層が石英を含むガラス材料により形成されていることが好ましい。これにより、光導波路の伝搬損失が小さく光学特性及び安定性が優れた熱光学位相シフタの実現が可能となる。
【0035】
更にまた、前記基板が石英を含むガラス材料又はシリコンにより形成されていることが好ましい。これにより、シリコン半導体プロセスを使用して、本発明の熱光学位相シフタを作製することができる。このため、熱光学位相シフタの作製が容易になり、作製の信頼性及び再現性を向上させることができる。
【0036】
本発明に係る熱光学位相シフタの製造方法は、基板上にこの基板を形成する材料よりもエッチング速度が大きい犠牲材料により犠牲層を形成する工程と、この犠牲層上に前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により下側クラッド層を形成する工程と、この下側クラッド層上に直線又は曲線状に延びるコアを形成する工程と、このコアを覆うように前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により上側クラッド層を形成する工程と、この上側クラッド層上における前記コアの直上域を含む領域に発熱することにより前記下側クラッド層、コア及び上側クラッド層からなる光導波路の光の位相を変化させるヒータを形成する工程と、前記上側クラッド層及び下側クラッド層における前記ヒータの直下域を挟む領域に前記犠牲層又は基板まで到達する溝を形成する工程と、この溝を介して前記下側クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に位置する前記犠牲層をエッチングして除去し、前記下側クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に前記溝に連結された隙間を形成すると共に、前記隙間における前記コアが延びる方向の一部に前記溝に挟まれた前記クラッド層部分を前記基板に対して支持する支柱部を局部的に設ける工程と、を有することを特徴とする。
【0037】
本発明に係る他の熱光学位相シフタの製造方法は、基板上にこの基板を形成する材料よりもエッチング速度が大きい犠牲材料により犠牲層を形成する工程と、この犠牲層上に前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により第1の下側クラッド層を形成する工程と、この第1の下側クラッド層上にヒータを形成する工程と、このヒータ上に前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により第2の下側クラッド層を形成する工程と、この第2の下側クラッド層上における前記ヒータの直上域を含む領域に直線又は曲線状に延びるコアを形成する工程と、このコアを覆うように前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により上側クラッド層を形成する工程と、前記上側クラッド層及び前記第2の下側クラッド層における前記ヒータの直上域並びに前記第1の下側クラッド層における前記ヒータの直下域を挟む領域に前記犠牲層又は基板まで到達する溝を形成する工程と、この溝を介して前記第1の下側クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に位置する前記犠牲層をエッチングして除去し、前記第1の下側クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に前記溝に連結された隙間を形成する工程と、前記上側クラッド層及び第2の下側クラッド層に前記ヒータに接続するビアを形成する工程と、を有することを特徴とする。
【0038】
本発明に係る更に他の熱光学位相シフタの製造方法は、基板上にこの基板を形成する材料よりもエッチング速度が大きい犠牲材料により膜厚が4μm以上の犠牲層を選択的に形成する工程と、この犠牲層上に前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により下側クラッド層を形成する工程と、この下側クラッド層上における前記犠牲層の上方域を含む領域に直線又は曲線状に延びるコアを形成する工程と、このコアを覆うように前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により上側クラッド層を形成する工程と、この上側クラッド層上における前記コアの直上域を含む領域に発熱することにより前記下側クラッド層、コア及び上側クラッド層からなる光導波路の光の位相を変化させるヒータを形成する工程と、前記上側クラッド層及び下側クラッド層における前記ヒータの直下域を挟む領域に前記犠牲層又は基板まで到達する溝を形成する工程と、この溝を介して前記犠牲層をエッチングして除去し、前記下側クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に前記溝に連結された4μm以上の隙間を形成すると共に、前記隙間における前記コアが延びる方向の一部に前記溝に挟まれた前記クラッド層部分を前記基板に対して支持する支柱部を局部的に設ける工程と、を有することを特徴とする。
【0039】
本発明に係る更に他の熱光学位相シフタの製造方法は、基板上にこの基板を形成する材料よりもエッチング速度が大きい犠牲材料により膜厚が4μm以上の犠牲層を選択的に形成する工程と、この犠牲層上に前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により第1の下側クラッド層を形成する工程と、この第1の下側クラッド層上における前記犠牲層の直上域を含む領域にヒータを形成する工程と、このヒータ上に前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により第2の下側クラッド層を形成する工程と、この第2の下側クラッド層上における前記ヒータの直上域を含む領域に直線又は曲線状に延びるコアを形成する工程と、このコアを覆うように前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により上側クラッド層を形成する工程と、この上側クラッド層及び第2の下側クラッド層における前記ヒータの直上域並びに前記第1の下側クラッド層における前記ヒータの直下域を挟む領域に前記犠牲層又は基板まで到達する溝を形成する工程と、この溝を介して前記犠牲層をエッチングして除去し、前記第1の下側クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に前記溝に連結された4μm以上の隙間を形成する工程と、前記上側クラッド層及び第2の下側クラッド層に前記ヒータに接続するビアを形成する工程と、を有することを特徴とする。
【0040】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第1の実施例について説明する。図1(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA1−A1’線による断面図である。また、図2(a)乃至(d)は本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法をその工程順に示す断面図である。
【0041】
図1(a)及び(b)に示すように、本実施例に係る熱光学位相シフタにおいては、例えばシリコンからなり厚さが0.8mmの基板1が設けられ、この基板1上に、犠牲層2が設けられている。犠牲層2は、例えばガラスにリンをドープしたリン添加シリカガラス(PSG)により形成されており、その膜厚は例えば5μmである。そして、犠牲層2上にはクラッド層13が設けられている。クラッド層13は、犠牲層2上に設けられた下側クラッド層3と、この下側クラッド層3上に設けられた上側クラッド層5とから構成されている。下側クラッド層3及び上側クラッド層5は例えばガラスにボロン及びリンをドープしたBPSGにより形成されており、その膜厚は例えば夫々14μm及び15μmである。なお、基板1はシリコン以外の半導体又は石英ガラス等の絶縁体から形成されていてもよい。また、犠牲層2は、PSGに限らず、基板1及びクラッド層13よりもエッチング速度が大きく、基板1及びクラッド層13に対して選択エッチングが可能な材料により形成されていればよく、この条件を満たす限り、例えば半導体又はPSG以外のガラスにより形成されていてもよい。
【0042】
また、下側クラッド層3上には基板1の表面に平行な方向に延びるコア4が設けられており、上側クラッド層5はコア4を覆うように設けられている。コア4及びコア4の周囲のクラッド層13により、光導波路14が形成されている。コア4の長手方向に直交する断面の形状は、高さが例えば5.5μm、幅が例えば5.5μmの矩形である。また、コア4はクラッド層13よりも屈折率が大きい材料、例えば、GPSG(ゲルマニウム・リン添加シリカガラス)により形成されており、コア4とクラッド層13との比屈折率差Δは例えば0.65%である。
【0043】
更に、光導波路14上、即ち、上側クラッド層5の表面には、薄膜ヒータ6が設けられている。薄膜ヒータ6は例えばクロムからなる薄膜であり、膜厚は例えば0.2μmである。薄膜ヒータ6は両端部の電極部分6aと、電極部分6a間のヒータ部分6bとからなっている。電極部分6aの形状は例えば正方形であり、ヒータ部分6bの形状は、幅が例えば10μm、長さが例えば4mmの細線状である。
【0044】
更にまた、クラッド層13及び犠牲層2における薄膜ヒータ6の下方に相当する領域のうち光導波路14の両脇に位置する領域には、コア4が延びる方向と平行に延びる溝8が形成されている。即ち、溝8は光導波路14を挟むように2ヶ所に形成されている。溝8の長手方向、即ちコア4が延びる方向の長さは例えば4mmであり、溝8の幅、即ち、コア4が延びる方向に直交する方向の長さは例えば250μmであり、溝8の深さは例えば29μmである。溝8間の距離、即ち、光導波路14のリッジ幅は例えば25μmである。更にまた、光導波路14と基板1との間においては、犠牲層2が除去され、隙間15が形成されている。隙間15の高さは犠牲層2の膜厚と等しく、例えば5μmである。これにより、光導波路14は、2本の溝8及び隙間15により、光導波路14以外のクラッド層13、犠牲層2及び基板1から離間され、橋梁状となっている。なお、犠牲層2は基板1上において隙間15を除く全面に形成されている。
【0045】
次に、本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法について説明する。先ず、図2(a)に示すように、例えばシリコンからなり、厚さが例えば0.8mmである基板1上に、常圧化学気相成膜法(AP−CVD)により、犠牲層2を作製する。犠牲層2を形成する材料は、基板1及びクラッド層13に対して選択エッチングが可能な材料であればよく、例えば、半導体又はガラス等であればよいが、本実施例においてはPSGとする。また、犠牲層2の膜厚は例えば5μmとする。次に、AP−CVDにより、石英を主成分とするガラス膜、例えばBPSGを例えば厚さ14μmに成膜し、下側クラッド層3を形成する。犠牲層2を形成するPSGと、下側クラッド層3を形成するBPSGとは、ドーピングする元素を途中で変化させることにより、AP−CVDによる連続成膜が可能である。
【0046】
そして、下側クラッド層3上に、下側クラッド層3よりも屈折率が大きい材料により、薄膜4aを形成する。薄膜4aは、例えば下側クラッド層3との比屈折率差Δが0.65%となるようにゲルマニウム及びリンの混入量を調節したGPSG(ゲルマニウム・リン添加シリカガラス)からなっており、AP−CVDにより例えば5.5μmの厚さに成膜する。
【0047】
次に、図2(b)に示すように、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング(RIE)により薄膜4aをパターニングして、基板1の表面に平行な方向に延び、この方向に直交する断面が矩形状であるコア4を形成する。コア4の幅は例えば5.5μmとする。次に、コア4を埋め込むように、例えばBPSGからなる上側クラッド層5をAP−CVDにより例えば15μmの膜厚に形成し、埋め込み型の光導波路を作製する。
【0048】
次に、図2(c)に示すように、上側クラッド層5の表面におけるコア4の直上域に、例えばクロム薄膜等の金属膜を電子ビーム蒸着法により例えば0.2μmの膜厚に成膜する。そして、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングにより、所定の形状にパターニングし、薄膜ヒータ6を形成する。
【0049】
この後、図2(d)に示すように、上側クラッド層5及び薄膜ヒータ6を覆うようにレジスト7を成膜する。レジスト7には、フォトリソグラフィにより、薄膜ヒータ6の両側に2ヶ所の開口部7aを形成する。開口部7a間の距離は例えば25μmである。そして、レジスト7をマスクとしてRIEによりエッチングを行い、クラッド層13及び犠牲層2における薄膜ヒータ6の両脇に相当する領域を選択的に除去し、基板1に達する深さの溝8を形成する。なお、溝8は犠牲層2に達するように形成されてもよい。
【0050】
そして、図1(b)に示すように、薄膜ヒータ6を保護するためにレジスト7を残したまま、溝8を介して緩衝フッ化水素溶液(BHF)により犠牲層2のウェットエッチングを行い、光導波路14の下方に位置する犠牲層2を除去する。これにより、溝8間における基板1とクラッド層13との間の領域に隙間15を形成する。隙間15の高さは犠牲層2の膜厚と等しく、例えば5μmである。なお、このとき、エッチング液として緩衝フッ化水素溶液(BHF)を使用すると、犠牲層2の材料であるPSGに対するエッチング速度は、クラッド層13の材料であるBPSGに対するエッチング速度の6乃至10倍程度となる。また、基板1の材料であるシリコンはほとんどエッチングされない。このため、PSG膜は犠牲層としての機能する。このようにして、本実施例の熱光学位相シフタを作製できる。
【0051】
次に、本実施例に係る熱光学位相シフタの動作について説明する。外部電源(図示せず)により薄膜ヒータ6に電力を投入する。これにより、薄膜ヒータ6が発熱し、光導波路14の温度を上昇させることでその屈折率を変化させて、光導波路14の実効長を変化させる。この結果、入力端(図示せず)から光導波路14に入射された光の出力端(図示せず)における位相を変化させることができる。
【0052】
本実施例においては、光導波路14が基板1及び光導波路14以外のクラッド層13から離間されているため、薄膜ヒータ6が発した熱が基板1及びクラッド層13に逃げることを抑制でき、光導波路14を効率的に加熱することができる。なお、薄膜ヒータ6において発生した熱は、クラッド層13の長手方向、並びに溝8及び隙間15に充填された空気を伝わって多少は逃げて行くが、本実施例の熱光学位相シフタの構造では、熱伝導パスが少ないため、逃げていく熱量は極めて小さい。従って、効率よく光導波路14を加熱することができる。このため、熱光学位相シフタの駆動に伴う消費電力が極めて小さい。
【0053】
なお、基板1と光導波路14との間の距離、即ち隙間15を大きくするほど、光導波路14の断熱性が向上し、熱光学位相シフタの消費電力が低減する。隙間15の高さ、即ち犠牲層2の膜厚を4μm以上とすることにより、熱光学位相シフタの消費電力を、従来の最小値である40mWから更に半減して20mW以下とすることができる。このため、隙間15は4μm以上であることが好ましい。
【0054】
本実施例においては、入射光として波長が1550nmの光を使用すると、位相シフト量を半波長分とするのに必要な電力量が実測で10mW程度となった。これは、従来の熱光学位相シフタの消費電力の1/40に相当する極めて小さな値である。即ち、本実施例の熱光学位相シフタにより40チャンネルの光スイッチを作製した場合、この光スイッチを、通常の熱光学位相シフタによる光スイッチ1チャンネル分の電力で制御することができることになる。これに伴い、電源回路の簡略化等、外部パッケージの小型化も図ることができ、デバイスのより一層の小型化・大規模化が可能となる。
【0055】
また、本実施例においては、光導波路14が基板1及びクラッド層13から離間しているため、基板1及びクラッド層13から印加される応力が少ない。また、犠牲層2が5μm程度と薄いため、犠牲層2から光導波路14に働く応力も少ない。更に、基板1をエッチングしていないため、基板1から光導波路14に印加される応力がエッチング量に応じて変化することがなく、エッチングにより基板1が脆弱になることもない。更にまた、下側クラッド層3の形成時点においては、犠牲層2を基板1上の全面に形成しているため、下側クラッド層3の表面が平坦になり、この平坦な面上にコア4を形成できる。このため、本実施例に係る熱光学位相シフタは、応力に起因する偏光依存性が少なく、光学特性が良好であると共に、機械的強度が高い。更に、本実施例の熱光学位相シフタは、その材料としてポリマーを使用していないため、耐熱性が高く、安定性及び信頼性が優れている。
【0056】
本実施例に係る熱光学位相シフタは、光学特性においても、従来の熱光学位相シフタと比較して損なわれている点は全くなく、波長の3倍の位相シフト量を得られる温度(投入電力は60mW程度)に加熱しても、熱応力による破断等は全く生ぜず、機械的強度は問題ないことを確認した。
【0057】
更にまた、本実施例においては、シリコンをエッチングする工程がないため、エッチング液としてフッ硝酸等の強酸を使用する必要がない。また、前述の如く、犠牲層2を基板1上の全面に形成しているため、下側クラッド層3の表面に段差が形成されることがなく、平坦である。更に、溝8を形成するために設けたレジスト7を、溝8の形成後に薄膜ヒータ6の保護膜としてそのまま使用することができる。これにより、溝8の形成後にレジストを新たに形成する必要がない。更にまた、熱光学位相シフタの材料としてポリマーを使用していないため、アニールに対する制約もない。このため、本実施例に係る熱光学位相シフタは製造が容易である。本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法は、従来の熱光学位相シフタの製造方法からの変更点が極めて少なく、新たなエッチング装置等を導入する必要も無い。また、歩留まりの低下を招くような負荷が高いプロセスも無く、いずれの光導波路にもすぐに適応が可能である。
【0058】
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図3(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA2−A2’線による断面図である。本実施例における光導波路14、薄膜ヒータ6及び溝8の構成及び製造方法は、前述の第1の実施例と同様であるため、詳細な説明は省略する。本第2実施例の特徴は、前述の第1の実施例では薄膜ヒータ6の下方における犠牲層2を全てエッチングして除去したが、本実施例では犠牲層2の一部を残して支柱2aを形成したことにある。残留させる犠牲層2(支柱2a)の幅はエッチング速度を予め明らかにしておくことで、エッチング時間で制御することができる。
【0059】
熱光学位相シフタが極めて強い振動等の機械的ストレスを受ける場合は、前述の第1の実施例における光導波路14の構造は吊り橋と同様であるため、場合によっては光導波路14が破断する可能性がある。また、破断しないまでも、光導波路14が湾曲して基板1又は光導波路14以外のクラッド層13に接触してしまい、熱効率が低下して消費電力が増大する可能性がある。光導波路14を支えるために、特開平1−158413号公報等ではシリコン基板のエッチングを途中で止める方法が示されているが、シリコンのような熱伝導性が高い材料により支柱を形成すると、消費電力が著しく増大してしまうという問題が生じる。このように、強度の確保と消費電力の低減との間でトレードオフが存在する。これに対して、本実施例のように、犠牲層2を熱伝導性が低いPSG等で構成し、光導波路14の直下に位置する犠牲層2の一部を残留させることにより支柱2aを形成することにより、支柱を熱伝導性が高いシリコン等により形成する場合と比較して、大幅な消費電力の低減を図ることが可能となる。
【0060】
本実施例に係る熱光学位相シフタの消費電力は、残留させる犠牲層2、即ち、支柱2aの幅によって大きく変化する。支柱2aの幅が5μmの場合及び10μmの場合に、波長が1550nmの光に対して半波長分の位相シフト量が得られる消費電力を実測した結果、夫々約60mW及び約120mWとなった。従って、従来の熱光学位相シフタと比較して、十分に消費電力を図ることができた。なお、前述の第1の実施例のように、光導波路を完全に基板から分離する場合と比較すると、6乃至12倍の電力が必要となってしまう。但し、機械的強度は、本実施例に係る熱光学位相シフタは、前述の第1の実施例に係る熱光学位相シフタよりも優れている。従って、用途に応じて前述の第1の実施例に係る熱光学位相シフタと本実施例に係る熱光学位相シフタとを選択すればよい。
【0061】
次に、本発明の第3の実施例について説明する。図4(a)乃至(d)は本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法をその工程順に示す断面図である。また、図5(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA3−A3’線による断面図である。前述の第1の実施例においては、犠牲層2を基板1上の全面に形成し、犠牲層2と下側クラッド層3とを連続成膜したが、本実施例においては、犠牲層2を薄膜ヒータ6の下方に相当する領域のみに設けたことを特徴とする。
【0062】
犠牲層2を形成する材料によっては、基板1の全面に犠牲層2を成膜することにより、極めて大きな応力が生じる。このため、光導波路14の光学特性の劣化及び光導波路の形成における成膜の不具合等が起こることがある。このため、本実施例においては、先ず犠牲層2のみを成膜した後、犠牲層2が必要な部分のみに残るようにパターニングする。
【0063】
先ず、図4(a)に示すように、基板1上の全面に犠牲層2を成膜する。そして、フォトリソグラフィ及びRIEにより犠牲層2をパターニングして選択的に除去する。このとき、犠牲層2は薄膜ヒータ6の下方のみに残留して細線状となるため、膜応力は解放される。犠牲層2の材料には、前述の第1の実施例と同様に、例えばPSGを使用する。
【0064】
次に、図4(b)に示すように、この犠牲層2上に、前述の第1の実施例と同様な方法により、下側クラッド層3、コア4、上側クラッド層5を形成する。次に、図4(c)に示すように、上側クラッド層5の表面における犠牲層2の上方に相当する領域に、薄膜ヒータ6を形成する。次に、図4(d)に示すように、前述の第1の実施例と同様に上側クラッド層5及び薄膜ヒータ6上にレジスト7を形成する。そして、このレジスト7をマスクとして上側クラッド層5、下側クラッド層3及び犠牲層2を順次エッチングすることにより、光導波路14の両側にエッチング用の溝8を形成する。
【0065】
その後、図5(a)及び(b)に示すように、溝8を介して犠牲層2(図4(d)参照)のウェットエッチングを行い、犠牲層2を除去する。これにより、犠牲層2が残留しておらず、溝8の外側においては、基板1上に下側クラッド層3が設けられた熱光学位相シフタを作製することができる。本実施例における上記以外の構成及び製造方法は、前述の第1の実施例と同様である。
【0066】
本実施例においては、犠牲層を選択エッチングしているため、工程としては1ステップの増加となるが、犠牲層に生じる応力を開放することができる。このため、光導波路14の偏光依存性をより一層低減することができ、光学特性がより向上する。また、予め犠牲層2をパターニングすることにより、ウェットエッチングにより犠牲層2を除去する際のエッチングのばらつきがなくなり、より一層の信頼性及び歩留まりの向上を図ることができる。
【0067】
更に、犠牲層2をPSGにより形成することにより、エッチング液としてBHFを使用することができる。このため、前述の特許第3152182号に記載されているように、犠牲層をシリコンにより形成して、エッチング液としてフッ硝酸を使用する必要がない。このため、本実施例に係る熱光学位相シフタは、特許第3152182号に記載されている熱光学位相シフタと比較して、製造が容易である。
【0068】
次に、本発明の第4の実施例について説明する。図6(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA4−A4’線による断面図である。本実施例は前述の第2の実施例と第3の実施例とを組み合わせた実施例である。図6(a)及び(b)に示すように、本実施例においては、犠牲層2(図4(d)参照)と光導波路14の作製方法は第3の実施例と同様であるが、本実施例の特徴は犠牲層2の一部を残して支柱2aを形成したことにある。残留させる犠牲層2の幅はエッチング速度を予め明らかにしておくことで、エッチング時間を調整することにより制御することができる。支柱2aを形成する理由は前述の第2の実施例において説明したとおりであり、低消費電力化の効果は小さくなるが、強度を向上させることができる。このため、熱光学位相シフタに大きな機械的強度が必要不可欠な場合には、前述の第3の実施例に係る熱光学位相シフタに替わって使用することができ、これにより、強度の確保と低消費電力化とのバランスをとることができる。
【0069】
次に、本発明の第5の実施例について説明する。図7(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA5−A5’線による断面図である。また、図8(a)乃至(d)は本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法をその工程順に示す断面図である。前述の第1の実施例においては、薄膜ヒータ6が上側クラッド層5の表面に形成されているが、本実施例においては、薄膜ヒータ6が下側クラッド層3の内部に形成されている。即ち、下側クラッド層3が犠牲層2上に形成されている第1の下側クラッド層9と、この第1の下側クラッド層9上に形成されている第2の下側クラッド層10とから構成されており、第1の下側クラッド層9上に薄膜ヒータ6が形成されており、この薄膜ヒータ6を埋め込むように、第2の下側クラッド層10が形成されている。また、第2の下側クラッド層10及び上側クラッド層5には、薄膜ヒータ6の電極部分6aに電力を供給するためのビア11が設けられている。
【0070】
次に、本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法について説明する。先ず、図8(a)に示すように、基板1上に犠牲層2を形成した後、第1の下側クラッド層9を成膜し、薄膜ヒータ6の材料となるクロム膜を成膜し、パターニングする。次に、図8(b)に示すように、第2の下側クラッド層10を成膜して薄膜ヒータ6を埋め込み、コア4の材料となる薄膜4aの成膜を行う。次に、図8(c)に示すように、薄膜4aをパターニングしてコア4を形成し、上側クラッド層5を成膜する。次に、図8(d)に示すように、溝8を形成し、犠牲層2をエッチングする。そして、上側クラッド層5及び第2の下側クラッド層10に、薄膜ヒータ6に接続する電極用ビア11を形成する。電極用ビア11の形成はフォトリソグラフィ及びRIEにより行う。これにより、図7(a)及び(b)に示すような熱光学位相シフタを作製することができる。本実施例における上記以外の構成及び製造方法は、前述の第1の実施例と同様である。
【0071】
前述の第1乃至第4の各実施例においては、溝8を形成する際に使用するレジスト7(図2(d)参照)を、溝8を形成した後も残しておき、犠牲層2のエッチング時に薄膜ヒータ6を保護するために使用している。しかしながら、光導波路を形成する材料が半導体等である場合、犠牲層のエッチングに強酸を使用することがあり、レジストが強酸に耐えられない場合がある。そこで、薄膜ヒータ6を下側クラッド層3中に設けることにより、強酸から保護することができる。この結果、熱光学位相シフタの製造が容易になり、信頼性が向上する。
【0072】
次に、本発明の第6の実施例について説明する。図9(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA6−A6’線による断面図である。本実施例は前述の第2の実施例と第5の実施例とを組み合わせた実施例である。即ち、図9(a)及び(b)に示すように、基板1と光導波路14との間の隙間15に、PSGからなる支柱2aが設けられている。支柱2aの形成方法は前述の第2の実施例と同様である。また、本実施例における上記以外の構成及び製造方法は、前述の第5の実施例と同様である。本実施例においては、大きな機械的強度を確保できると共に、犠牲層をエッチングする際に、レジストによらずに薄膜ヒータを保護することができる。
【0073】
次に、本発明の第7の実施例について説明する。図10(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA7−A7’線による断面図である。また、図11(a)乃至(d)は本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法をその工程順に示す断面図である。本実施例は前述の第3の実施例と第5の実施例とを組み合わせた実施例である。前述の第5の実施例においては、犠牲層2を基板1上の全面に形成し、犠牲層2と下側クラッド層3とを連続成膜したが、本実施例においては、前述の第3の実施例と同様に、犠牲層2を薄膜ヒータ6の下方に相当する領域のみに設ける。
【0074】
即ち、図10(a)及び(b)に示すように、本実施例においては、光導波路14の下側クラッド層3が第1の下側クラッド層9及び第2の下側クラッド層10から構成されており、両者の間に薄膜ヒータ6が配置されている。本実施例における上記以外の構成は、前述の第3の実施例と同様である。
【0075】
次に、本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法について説明する。先ず、図11(a)に示すように、前述の第3の実施例と同様に、基板1の表面に選択的に犠牲層2を形成する。次に、図11(b)に示すように、前述の第5の実施例と同様に、基板1及び犠牲層2上に第1の下側クラッド層9、薄膜ヒータ6、第2の下側クラッド層10及び薄膜4aを形成する。次に、図11(c)に示すように、薄膜4aをパターニングしてコア4を形成し、このコア4を覆うように、上側クラッド層5を形成する。次に、図11(d)に示すように、上側クラッド層5上にレジスト7を形成し、このレジスト7をマスクとして、上側クラッド層5、下側クラッド層3をエッチングし、溝8を形成する。
【0076】
次に、図10(a)及び(b)に示すように、溝8を介して犠牲層2をエッチングして除去し、隙間15を形成する。そして、上側クラッド層5及び第2の下側クラッド層10に、電極用ビア11を形成する。
【0077】
本実施例においては、前述の第3の実施例と同様の理由により、犠牲層の応力を解放して、光学特性及び機械的強度の改善を図ることができる。また、前述の第5の実施例と同様な理由により、エッチング時に薄膜ヒータ6を保護することができる。
【0078】
次に、本発明の第8の実施例について説明する。図12(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA8−A8’線による断面図である。図12(a)及び(b)に示すように、本実施例は前述の第4の実施例と第5の実施例とを組み合わせた実施例であり、換言すれば、本実施例は前述の第2の実施例と第7の実施例とを組み合わせた実施例である。本実施例においては、隙間15において、犠牲層2の一部を残留させて、PSGからなる支柱2aを形成している。本実施例における上記以外の構成及び製造方法は、前述の第7の実施例と同様である。本実施例においては、光学特性及び機械的強度の向上を図ることができると共に、エッチング時に薄膜ヒータ6を保護することができる。
【0079】
次に、本発明の第9の実施例について説明する。図13(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA9−A9’線による断面図であり、(c)は(a)に示すB9−B9’線による断面図である。図13(a)乃至(c)に示すように、本実施例の熱光学位相シフタにおいては、溝8における長手方向、即ちコア4が延びる方向に平行な側面のうち、コア4に近い側の側面8aが、長手方向端部において、端部8bに近づくにつれてコア4から離れるようにテーパ状に湾曲している。これにより、光導波路14の橋梁部14aにおける根元部14bが、橋梁部14aにおける根元部14b以外の部分よりも太くなっている。また、隙間15における根元部14bの下方に相当する領域においては、犠牲層2がエッチング時に残留し、支柱2aを形成している。本実施例における上記以外の構成は、前述の第1の実施例と同様である。
【0080】
前述の第1の実施例に係る熱光学位相シフタおいて、機械的に最も弱い部分は光導波路14の橋梁部14aにおける根元部14bであり、この部分に最も機械的ストレスが集中すると考えられる。本実施例においては、この根元部14bをテーパ状の形状とすることにより、補強している。これにより、熱光学位相シフタの信頼性をより一層向上させることができる。また、本実施例に係る熱光学位相シフタを製造するためには、前述の第1の実施例において、レジスト7をパターニングする際のフォトリソグラフィマスクパターンを変更すればよく、マスク形状以外に前述の第1の実施例における熱光学位相シフタの作製工程を変更することなく、第1の実施例と同様に自己形成工程により、熱光学位相シフタを作製することができる。
【0081】
次に、本発明の第10の実施例について説明する。図14(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA10−A10’線による断面図であり、(c)は(a)に示すB10−B10’線による断面図である。図14(a)乃至(c)に示すように、本実施例においては、光導波路14の橋梁部14aの途中に、光導波路14をクラッド層13に対して支持する梁16が設けられている。梁16は、コア4が延びる方向に直交する方向に延びており、溝8を張架するように設けられている。本実施例における上記以外の構成は、前述の第1の実施例と同様である。
【0082】
前述の第1の実施例においては、光導波路14の橋梁部14aが長手方向に長くなった場合、橋梁部14aの横方向、即ち、コア4が延びる方向に直交する方向における自由度が大きくなり、場合によっては途中で光導波路14が曲がり、伝搬損失が増大するか、又はクラッド層13における光導波路14以外の部分若しくは基板1と接触して断熱性が損なわれてしまう可能性がある。
【0083】
これに対して、本実施例においては、梁16を設けることにより、橋梁部14aの横方向における自由度を低減している。これにより、光導波路14が外力を受けたときに、橋梁部14aが横方向に撓むことを防止でき、熱光学位相シフタの信頼性が向上する。このような構造とすることにより、断熱性が多少損なわれることが考えられるが、梁16を形成する材料の熱伝導性が十分に低い場合には、基板1までの熱伝導パスが長いこともあり、あまり大きな熱伝導パスにはならない。なお、本実施例に係る熱光学位相シフタを製造するためには、前述の第1の実施例において、レジスト7をパターニングする際のフォトリソグラフィマスクパターンを変更すればよく、マスク形状以外に前述の第1の実施例における熱光学位相シフタの作製工程を変更することなく、第1の実施例と同様に自己形成工程により、熱光学位相シフタを作製することができる。なお、梁16の数は左右1本ずつに限定されず、左右に複数本ずつ設けてもよい。
【0084】
次に、本発明の第11の実施例について説明する。図15(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA11−A11’線による断面図であり、(c)は(a)に示すB11−B11’線による断面図である。図15(a)乃至(c)に示すように、本実施例においては、光導波路14の橋梁部14aの長手方向中央部の下方において、隙間15に支柱2aが設けられている。支柱2aは犠牲層2(図1(d)参照)と同じ材料、即ち、PSGにより形成されている。支柱2aは、基板1上に設けられ、光導波路14を基板1に対して支持し、橋梁部14aの上下方向の自由度を低減するものである。なお、橋梁部14aにおける支柱2aの上方に相当する部分14cは、他の部分よりも幅が大きくなっている。
【0085】
前述の第1の実施例においては、光導波路14の橋梁部14aが長手方向に長くなった場合、橋梁部14aの横方向における自由度が大きくなり、場合によっては途中で光導波路14が曲がり、伝搬損失が増大するか、又は基板1と接触して断熱性が損なわれてしまう可能性がある。
【0086】
そこで、本実施例においては、適当な位置に支柱を設けることで、これを防ぐことができる。このような構造とすることにより、断熱性が損なわれることが考えられるが、支柱が基板よりも熱伝導性が低いPSGにより形成されており、また支柱の大きさも縦及び横が夫々10μm程度であれば、充分に熱伝導性が低く、それほど大きな熱伝導パスにはならない。また、前述の第9及び第10の実施例と同様に、本実施例に係る熱光学位相シフタを製造するためには、前述の第1の実施例において、レジスト7をパターニングする際のフォトリソグラフィマスクパターンを変更し、光導波路14に、他の部分よりも幅が広い部分14cが形成されるようにすればよい。これにより、犠牲層2のエッチング時に、部分14cの下方において犠牲層2が残留し、支柱2aが形成される。このように、本実施例においては、マスク形状以外に前述の第1の実施例における熱光学位相シフタの作製工程を変更することなく、第1の実施例と同様に自己形成工程により、熱光学位相シフタを作製することができる。なお、支柱2aの数は1個に限定されず、複数個設けてもよい。
【0087】
次に、本発明の第12の実施例について説明する。図16(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA12−A12’線による断面図であり、(c)は(a)に示すB12−B12’線による断面図である。図16(a)乃至(c)に示すように、本実施例は前述の第10の実施例と第11の実施例とを組み合わせた実施例である。本実施例においては、橋梁部14aの途中に、梁16及び支柱2aを設けている。本実施例における上記以外の構成及び製造方法は、前述の第1の実施例と同様である。
【0088】
熱光学位相シフタを前述の第9、第10及び第11の実施例の構造では強度不足となるような環境で使用する場合、本実施例のような構造とすることで、橋梁部14aの横方向の自由度及び上下方向の自由度の双方を減じ、消費電力の低減を多少犠牲にしつつも、強度を確保することが可能となる。本構造への変更はエッチング用の溝を形成するときに用いるフォトリソグラフィマスクパターンを変更すれば良いだけであり、作製工程の変更無く自己形成工程で実現できる。
【0089】
次に、本発明の第13の実施例について説明する。図17(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA13−A13’線による断面図であり、(c)は(a)に示すB13−B13’線による断面図である。また、図18(a)乃至(d)は本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法をその工程順に示す断面図であり、図19は本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法における図18(c)に示す工程を示す平面図である。
【0090】
図17(a)乃至(c)に示すように、本実施例に係る熱光学位相シフタにおいては、隙間15の一部に支柱12が形成されている。支柱12は犠牲層2(図1(d)参照)よりもエッチング速度が大きい材料により形成されており、例えば、犠牲層2がPSGにより形成されている場合、支柱12は例えばBPSGにより形成されている。支柱12は橋梁部分14aの長手方向の一部に設けられており、橋梁部分14aを基板1に対して支持し、上下方向の自由度を低減するものである。
【0091】
次に、本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法について説明する。先ず、図18(a)に示すように、基板1上に、例えばPSGにより犠牲層2を形成する。そして、フォトリソグラフィ及びRIEにより、犠牲層2の一部を除去し、その部分にBPSG膜を埋め込み、支柱12を形成する。次に、図18(b)に示すように、前述の第1の実施例と同様な方法により、下側クラッド層3及び薄膜4aを形成する。
【0092】
次に、図18(c)及び図19に示すように、薄膜4aをパターニングしてコア4を形成し、上側クラッド層5を形成する。そして、図18(d)に示すように、上側クラッド層5上に薄膜ヒータ6を形成する。
【0093】
次に、図17(a)乃至(c)に示すように、光導波路14を挟む位置に2本の溝8を形成し、光導波路14の下方における犠牲層2をエッチングして除去し、隙間15を形成する。このとき、BPSGからなる支柱12はエッチングされずに残る。本実施例における上記以外の構成及び製造方法は、前述の第1の実施例と同様である。
【0094】
上述の如く、前述の第11の実施例においては、犠牲層のサイドエッチングを所望の時間で止めることにより支柱を形成したが、本実施例は、最初に犠牲層の一部に犠牲層のエッチングの時にエッチングされない材料で支柱部を作り込んでおくことを特徴とする。これにより、例えば犠牲層のエッチング速度が極めて速く、途中でエッチングを止めることが困難な場合等に、支柱が自己形成されるために、作製工程の信頼性及び再現性を向上させることができる。
【0095】
なお、前述の各実施例においては、光導波路が埋め込み型導波路である場合について説明したが、本発明の熱光学位相シフタにおける光導波路の構造はこれに限定されず、例えばリッジ型の導波路においても、本発明の効果が十分に期待できる。また、薄膜ヒータの形状も1本の直線状の形状に制限されるものではなく、複数の直線を組み合わせた形状又は曲線形状であってもよく、光導波路のコアを所望の温度に上昇させることができ、屈折率変化を誘起できる熱が発生できればよい。
【0096】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、熱光学位相シフタにおいて、基板上にコアとクラッド層からなる光導波路を形成し、基板と光導波路との間に4μm以上の隙間を設けることにより、光導波路の基板に対する断熱性を向上させることができ、光学特性並びに強度、安定性及び信頼性が良好で、消費電力が小さい熱光学位相シフタを得ることができる。また、この熱光学位相シフタは、大規模電子集積回路に一般的に使用されている手法により容易に製造することができる。このため、本発明は、光回路の小型化、高機能化及び大規模化を実現する上で極めて有用な技術である。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の第1の実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)はA1−A1’線による断面図である。
【図2】(a)乃至(d)は本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法をその工程順に示す断面図である。
【図3】(a)は本発明の第2の実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)はA2−A2’線による断面図である。
【図4】(a)乃至(d)は本発明の第3の実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法をその工程順に示す断面図である。
【図5】(a)は本実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)はA3−A3’線による断面図である。
【図6】(a)は本発明の第4の実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)はA4−A4’線による断面図である。
【図7】(a)は本発明の第5の実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)はA5−A5’線による断面図である。
【図8】(a)乃至(d)は本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法をその工程順に示す断面図である。
【図9】(a)は本発明の第6の実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)はA6−A6’線による断面図である。
【図10】(a)は本発明の第7の実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)はA7−A7’線による断面図である。
【図11】(a)乃至(d)は本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法をその工程順に示す断面図である。
【図12】(a)は本発明の第8の実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)はA8−A8’線による断面図である。
【図13】(a)は本発明の第9の実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA9−A9’線による断面図であり、(c)は(a)に示すB9−B9’線による断面図である。
【図14】(a)は本発明の第10の実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA10−A10’線による断面図であり、(c)は(a)に示すB10−B10’線による断面図である。
【図15】(a)は本発明の第11の実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA11−A11’線による断面図であり、(c)は(a)に示すB11−B11’線による断面図である。
【図16】(a)は本発明の第12の実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA12−A12’線による断面図であり、(c)は(a)に示すB12−B12’線による断面図である。
【図17】(a)は本発明の第13の実施例に係る熱光学位相シフタを示す平面図であり、(b)は(a)に示すA13−A13’線による断面図であり、(c)は(a)に示すB13−B13’線による断面図である。
【図18】(a)乃至(d)は本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法をその工程順に示す断面図である。
【図19】本実施例に係る熱光学位相シフタの製造方法における図18(c)に示す工程を示す平面図である。
【符号の説明】
1;基板
2;犠牲層
2a;支柱
3;下側クラッド層
4;コア
4a;薄膜
5;上側クラッド層
6;薄膜ヒータ
6a;電極部分
6b;ヒータ部分
7;レジスト
7a;開口部
8;溝
8a;側面
8b;端部
9;第1の下側クラッド層
10;第2の下側クラッド層
11;ビア
12;支柱
13;クラッド層
14;光導波路
14a;橋梁状の部分
14b;根元部
14c;部分
15;隙間
16;梁
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermo-optical phase shifter that reduces power consumption and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
The increase in the number of channels in the optical communication field is rapidly promoted by the advent of wavelength division multiplexing (WDM) communication systems. Accordingly, in order to achieve functional control for each channel, for example, to make the power of each channel constant or to perform switching, the number of optical elements corresponding to the number of channels is required.
[0003]
For this reason, recently, there is an increasing need for small optical circuit components that can be applied to optical switches and the like and can be integrated at high density. Conventionally, single optical switches have already been realized, and matrix switches having a plurality of input / output ports using many of these optical switches have been put into practical use. As a technology for realizing an optical switch, a method of connecting an input port and an output port by mechanically moving them (for example, JP-A-9-5653), and rotating a movable mirror to tilt it to a predetermined angle. A method of connecting an input port and an output port (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-255474 and IEICE General Conference Proposal C-3-8 (2002) p. 140), a method of using a liquid crystal (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 62-187826), various techniques such as a method of changing the connection between the input and output ports by controlling the reflection of light by means such as generating bubbles at the intersections of the waveguides that are cross-connected. Has been proposed.
[0004]
Among them, a planar lightwave circuit (PLC) type device using a thermo-optic phase shifter is extremely easy to manufacture and highly integrated because it can use semiconductor circuit manufacturing technology in its manufacturing process. It has the feature that it is advantageous for high functionality and large scale.
[0005]
Usually, the thermo-optic phase shifter is realized as follows. First, an optical waveguide composed of a clad layer and a core is fabricated on a substrate. Then, a metal thin film or the like is formed on the optical waveguide, processed into a thin line shape along the optical waveguide, and energized. When electric power is applied to the thin film from the outside, heat is generated by the electric resistance of the thin film, and it operates as a heater for the optical waveguide. The heat generated in the heater travels through the cladding layer of the optical waveguide and reaches the core. As a result, the refractive index of the portion of the optical waveguide heated by the heater increases, the effective waveguide length increases corresponding to the refractive index change amount and the waveguide length, and the phase of light at the output end shifts. The amount of phase shift can be arbitrarily controlled by adjusting the electric power supplied to the heater. When the optical waveguide is made of quartz glass, the refractive index temperature coefficient (dn / dT) of quartz glass is about 1 × 10.-5(/ ° C.).
[0006]
Then, one optical waveguide is branched into two at the input end, at least one of them is connected to a thermo-optic phase shifter, and the optical waveguide branched into two at the output end is recombined, whereby the optical switch is Can be realized. For example, the output at the output end can be made zero by shifting the phases of the light guided through the two branched optical waveguides by half a wavelength. Further, if the phase is not shifted, the light as it is input can be output. Thereby, ON / OFF of the output can be controlled.
[0007]
However, when a plurality of thermo-optic phase shifters are arranged in one optical circuit to cope with the increase in the number of channels, if the power consumed by one thermo-optic phase shifter is large, the power consumption of the entire optical circuit Becomes extremely large. In a thermo-optic phase shifter that has been put to practical use so far, for example, when light having a wavelength of 1550 nm normally used for optical communication is guided, the power required to change the phase by a half wavelength is per channel. It was about 400 mW. Therefore, for example, if a switch using the above-described thermo-optic phase shifter is provided for each channel in order to control a 40-channel optical communication circuit, a maximum power of 40 × 400 mW = 16000 mW = 16 W is required. A thermo-optic phase shifter with a power consumption of about 40 mW per channel has been reported at the research level, but this is still too large for the high integration required for thermo-optic components. .
[0008]
In order to reduce the power consumption of the thermo-optic phase shifter, a method for changing the material forming the optical waveguide to a material having a large temperature coefficient of refractive index, for example, a method using a polymer in the waveguide has been proposed (for example, patents). No. 2848144, Y. Hida et al., IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.5 (1993), pp.782-784, Proceedings of the IEICE General Conference C-3-10 (2002), p.142, etc.).
[0009]
In addition, a technology has been proposed in which the structure of the thermo-optic phase shifter is provided with a groove between the optical waveguides so that the heat generated in the heater does not escape to the outside (for example, the IEICE General Conference Proceedings). C-3-61 (2001) p.226, IEICE General Conference Proceedings C-3-64 (2001) p.229, Q. Lai et al. IEEE Photon. Technol. Lett. 1998) pp. 681-683). These documents describe that a desired temperature increase can be obtained with a small input power by providing a groove.
[0010]
Furthermore, in order to prevent the heat generated by the heater from escaping to the substrate, there is a method of increasing the thickness of the clad layer located under the core. Furthermore, in the thermo-optic phase shifter formed on the silicon substrate, in order to prevent the heat generated by the heater from escaping to the substrate, the substrate surface located below the optical waveguide is removed, and the optical waveguide is bridged. (For example, JP-A-1-158413, JP-A-5-34525, and JP-A-2001-2222034). Furthermore, the paper “A. Sugita et al. Trans. IEICE, Vol. E73 (1990) pp. 105-109” leaves a part of the silicon substrate located below the optical waveguide, and the optical waveguide is a silicon substrate. Also disclosed is a technique for supporting the column.
[0011]
Furthermore, in Japanese Patent No. 3152182, a silicon thin film is selectively formed on a quartz substrate, an under clad is formed so as to cover the silicon thin film, and a position corresponding to the upper portion of the silicon thin film on the under clad. A core is formed on the substrate, an over clad is formed so as to cover the core, an optical waveguide is formed, a heater is formed on the optical waveguide, and a groove reaching the silicon thin film is formed at a position sandwiching the optical waveguide. A technique for removing the silicon thin film through the groove is disclosed. As a result, a gap can be formed between the optical waveguide and the quartz substrate, and the power consumption of the thermo-optic phase shifter can be reduced.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional techniques described above have the following problems. When optical waveguides are formed of polymers, the polymers are highly hygroscopic and the film quality deteriorates due to the absorption of moisture during the manufacture and use of thermo-optic phase shifters, compared to optical waveguides formed of quartz glass. Thus, there is a problem that the propagation loss of light increases. It is also difficult to form a passivation film that protects the optical waveguide on the optical waveguide formed of a polymer. For this reason, the optical waveguide formed of the polymer is less stable and less reliable than the optical waveguide formed of quartz glass. Although a method of embedding a polymer in a part of an optical waveguide formed of quartz glass is also conceivable, there are problems such as a complicated manufacturing process, low reproducibility, and an increase in propagation loss generated at the interface between the quartz glass and the polymer. .
[0013]
Further, in the method of providing a groove between the optical waveguides, the heat generated from the heater arranged immediately above a certain optical waveguide can be prevented from being transmitted to other adjacent optical waveguides, but the heat of the heater can be prevented. Cannot be prevented, and the effect of reducing power consumption is small.
[0014]
Furthermore, the method of increasing the thickness of the cladding layer below the core has a problem that cracks are generated due to stress generated in the cladding layer during film formation. Further, there is a problem that the substrate is warped by this stress. Furthermore, this stress degrades the optical properties of the optical waveguide. Furthermore, since the film formation time becomes long, it is not suitable for mass production. For this reason, it is difficult in the process to form a thick cladding layer.
[0015]
Furthermore, in the technique for removing the surface of the silicon substrate located below the optical waveguide, a strong acid such as hydrofluoric acid is required as an etchant in order to etch the silicon substrate. When the silicon substrate is etched, the heater is covered and protected with a resist. However, this resist cannot withstand fluorinated nitric acid, and the heater is damaged by the etching. As described above, the method for etching a silicon substrate has a process problem. Also, by removing a part of the silicon substrate, the substrate itself for securing the strength of the thermo-optic phase shifter is weakened, resulting in a decrease in the mechanical strength of the element. There is. In addition, by etching the silicon substrate, the state of application of stress to the cladding layer changes and becomes unstable, and the mechanical strength and optical characteristics of the cladding layer itself constituting the optical waveguide deteriorate. is there. Furthermore, as described in the paper “A. Sugita et al. Trans. IEICE Vol. E73 (1990) pp. 105-109”, if a part of a silicon substrate is left as a support, silicon has thermal conductivity. Since it is high, the heat insulating effect of the optical waveguide is remarkably impaired, and the original purpose of reducing power consumption cannot be achieved.
[0016]
Furthermore, the technique disclosed in Japanese Patent No. 3152182, that is, a silicon thin film is selectively provided on the substrate, and the silicon thin film is etched in a later process, whereby a gap is formed between the substrate and the optical waveguide. The forming technique also has a problem that it is difficult to etch the silicon thin film. Further, since the under clad is formed so as to cover the selectively formed silicon thin film, the upper surface of the under clad is not flat, and the core, over clad, and heater layers can be formed on the under clad. There is a problem that it is difficult.
[0017]
The present invention has been made in view of such problems, and provides a thermo-optical phase shifter that is easy to manufacture, has good optical characteristics, strength, stability and reliability, and has low power consumption, and a method for manufacturing the same. For the purpose.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
  A thermo-optic phase shifter according to the present invention is provided on a substrate and the substrate.A sacrificial layer and provided on the sacrificial layerThe phase of the light of the optical waveguide is generated by generating heat in a cladding layer, a core that is provided in the cladding layer in a straight line or a curved line and that constitutes an optical waveguide, and a region that includes an area directly above or immediately below the core. A heater to be changed,The sacrificial layer andA groove is formed in a region sandwiching at least a region immediately below the heater in the cladding layer, and the groove is sandwiched between the grooves.Sacrificial layerIs removed, and a gap of 4 μm or more connected to the groove is formed.
[0019]
In the present invention, the phase of light guided through the optical waveguide can be changed by heating the optical waveguide with a heater. At this time, a groove is formed in a region of the clad layer sandwiching at least a region immediately below the heater, and a gap of 4 μm or more connected to the groove is formed between the portion of the clad layer and the substrate. As a result, it is possible to suppress the heat generated by the heater from being directly transferred to the substrate via the cladding layer, and the heat insulation between the optical waveguide and the substrate is improved. Thereby, the temperature of the optical waveguide can be increased efficiently with a small amount of heating. In addition, since the portion between the grooves in the cladding layer is separated from the substrate, the stress applied to the optical waveguide is reduced, and deterioration of the optical characteristics can be prevented. Furthermore, by separating the optical waveguide from the surrounding clad layer by the groove, the stress applied to the optical waveguide can be remarkably reduced, and the deterioration of the optical characteristics due to the application of the stress can be suppressed. As a result, the optical characteristics of the thermo-optic phase shifter are improved and the power consumption is greatly reduced. As a result, a large number of thermo-optic phase shifters can be integrated on a large scale. Furthermore, since no polymer is used, stability and reliability are excellent, and manufacturing is easy. Furthermore, since there is no process for etching silicon with a strong acid such as hydrofluoric acid, the manufacture is easy.
[0020]
  Another thermo-optic phase shifter according to the present invention is provided on a substrate, a sacrificial layer formed on the substrate and a sacrificial material having an etching rate higher than that of the material forming the substrate, and the sacrificial layer. In a region including a cladding layer formed of a material having an etching rate lower than that of the sacrificial material, a core that is provided in a linear or curved shape in the cladding layer to form an optical waveguide, and a region directly above or directly below the core And a heater that changes the phase of light of the optical waveguide by generating heat, and a groove is formed in a region sandwiching at least a region immediately below the heater in the sacrificial layer and the clad layer,The sacrificial layer sandwiched between the grooves is removed by etching,A gap connected to the groove between the portion of the cladding layer between the groove and the substrateAnd a support portion that is locally provided in a part of the gap in the extending direction of the core and supports the clad layer portion sandwiched between the grooves with respect to the substrate.It is characterized by that.
[0021]
In the present invention, the phase of light guided through the optical waveguide can be changed by heating the optical waveguide with a heater. At this time, by forming a groove in a region sandwiching at least the region immediately below the heater in the cladding layer, and forming a gap connected to the groove between the portion of the cladding layer and the substrate, It is possible to suppress the heat generated by the heater from being directly transferred to the substrate through the cladding layer, and to efficiently raise the temperature of the optical waveguide layer with a small amount of heating. As a result, power consumption is greatly reduced and large-scale integration becomes possible.
[0022]
In addition, by forming a sacrificial layer over the entire surface of the substrate, the upper surface of the sacrificial layer becomes flat, the clad layer can be easily formed, and the optical characteristics of the optical waveguide are improved. Furthermore, the gap can be easily formed by selectively removing the sacrificial layer between the portion of the clad layer and the substrate through the groove. As a result, a thermo-optic phase shifter having excellent optical characteristics can be easily produced with high controllability and high yield. Further, the sacrificial layer and the clad layer can be continuously formed, and the manufacturing process can be greatly simplified. As a result, it is possible to reduce the manufacturing cost and increase the yield. In addition, by providing the sacrificial layer intermittently, the stress generated in the sacrificial layer can be sufficiently released, and high reliability and high reproducibility of the film forming process can be realized.
[0023]
Moreover, it may have a support | pillar part which is provided in a part of said clearance gap and supports the part between the said grooves in the said cladding layer with respect to the said board | substrate. Thereby, since the stress applied to the optical waveguide layer is reduced, it is possible to prevent deterioration of the optical characteristics. Furthermore, the strength of the optical waveguide can be secured, which is advantageous for high density integration.
[0024]
Furthermore, the support column may be formed of the sacrificial material. Accordingly, the column portion can be formed by stopping the step of etching the sacrificial layer in the middle without providing a special step for forming the column portion.
[0025]
Alternatively, the support portion may be formed of a material whose etching rate is lower than that of the sacrificial material. Thereby, compared to the case where the etching of the sacrificial layer is stopped halfway and the column part is left, the column part can be formed in a self-aligned manner, and the controllability and reproducibility of the production are improved. Variations in the shape of the are reduced. In addition, the power consumption of the thermo-optic phase shifter can be further reduced by forming the column portion with a material having a low thermal conductivity.
[0026]
Furthermore, it is preferable that the thermal conductivity of the sacrificial material is smaller than the thermal conductivity of the material forming the substrate. As a result, even if a part of the sacrificial layer is left in the lower region of the heater, the heat conductivity of the sacrificial layer is small, so that the heat generated by the heater can be prevented from being transferred to the substrate as much as possible. The temperature of the optical waveguide layer can be increased efficiently. As a result, power consumption in one thermo-optic phase shifter is greatly reduced, and large-scale integration is possible.
[0027]
Furthermore, it is preferable that the sacrificial material is a glass material containing phosphorus, and the material forming the cladding layer is a glass material containing boron and phosphorus. As a result, a sufficient etching rate difference by the BHF solution is obtained between the sacrificial layer and the clad layer, and the clad layer is not deteriorated in the sacrificial layer removal step, so that the manufacturing process has high reliability and good reproduction. In addition, it is possible to realize a thermo-optic phase shifter with small propagation loss and excellent optical characteristics.
[0028]
  Furthermore, SupportBy making the thermal conductivity of the column portion smaller than that of the substrate, a path through which heat escapes from the heater to the substrate side is substantially reduced as compared with the case where the substrate is supported as described in the above-described conventional technology. Therefore, the power consumption can be greatly reduced.
[0029]
Or the said support | pillar part may be formed in a part of the direction where the said core extends in the area directly under the said core. As a result, the optical waveguide part where the heater is installed can be separated from the surrounding clad layer, and the stress can be released to the maximum to suppress the deterioration of optical characteristics, and a part of this optical waveguide can be supported from the substrate side. Therefore, the mechanical strength can be ensured. Furthermore, since the portions other than the support portions have extremely high heat insulation properties, power consumption can be greatly reduced, and large-scale integration of thermo-optical components can be achieved.
[0030]
Furthermore, it is preferable to have a support beam provided so as to stretch the groove and supporting a portion between the grooves in the cladding layer with respect to a portion sandwiching the groove together with this portion. As a result, the stress applied to the optical waveguide can be released as much as possible, the strength of the optical waveguide is improved, and it can be used in an environment subject to strong mechanical vibration. Although the power consumption is somewhat increased by providing the support beam, since the sacrificial layer below the support beam is removed, heat is prevented from escaping from the optical waveguide to the substrate via the support beam. A sufficient power consumption reduction effect can be obtained.
[0031]
Furthermore, of the side surfaces parallel to the direction in which the core extends in the groove, the side surface closer to the core is separated from the core at the end in the direction in which the core extends, as the end in the direction is approached. It is preferably curved. As a result, the most mechanically weak part corresponding to the base part of the bridge-shaped optical waveguide can be reinforced without changing the manufacturing process at all, thereby further improving the reliability of the thermo-optic phase shifter. be able to.
[0032]
Furthermore, the heater may be provided on the surface of the clad layer. Thereby, the heat generated from the heater can be prevented from escaping directly to the substrate without contributing to the temperature rise of the optical waveguide, and the heating efficiency of the optical waveguide can be improved. Further, the manufacturing process of the thermo-optic phase shifter is simplified, and high yield can be realized.
[0033]
Alternatively, the heater may be provided in the cladding layer. This prevents the heater from being exposed to the air, stabilizes it, and prevents the heater from being deformed or altered by the etching solution during fabrication, creating a highly reliable thermo-optic phase shifter. It becomes possible to do.
[0034]
Furthermore, it is preferable that the core and the cladding layer are made of a glass material containing quartz. As a result, it is possible to realize a thermo-optic phase shifter with small propagation loss of the optical waveguide and excellent optical characteristics and stability.
[0035]
Furthermore, it is preferable that the substrate is made of a glass material containing quartz or silicon. Thereby, the thermo-optic phase shifter of the present invention can be manufactured using a silicon semiconductor process. For this reason, the production of the thermo-optic phase shifter is facilitated, and the production reliability and reproducibility can be improved.
[0036]
  The method of manufacturing a thermo-optic phase shifter according to the present invention includes a step of forming a sacrificial layer on a substrate with a sacrificial material having an etching rate higher than that of the material forming the substrate, and etching on the sacrificial layer than the sacrificial material. A step of forming the lower clad layer with a material having a low speed, a step of forming a core extending linearly or curvedly on the lower clad layer, and an etching rate lower than that of the sacrificial material so as to cover the core The phase of the light of the optical waveguide composed of the lower clad layer, the core, and the upper clad layer is generated by generating heat in a region including the region directly above the core on the upper clad layer, and forming the upper clad layer with a material. A step of forming a heater to be changed, and the sacrificial layer or the sacrificial layer in a region sandwiching a region immediately below the heater in the upper cladding layer and the lower cladding layer. Forming a groove reaching the substrate, and etching the sacrificial layer located between the portion of the lower cladding layer between the grooves and the substrate through the groove to remove the lower cladding Forming a gap connected to the groove between a portion of the layer between the groove and the substrate;In addition, a strut portion is provided locally to support the clad layer portion sandwiched between the grooves with respect to the substrate in a part of the gap in the extending direction of the core.And a process.
[0037]
  Another method of manufacturing a thermo-optic phase shifter according to the present invention includes a substrateaboveForming a sacrificial layer with a sacrificial material having an etching rate higher than that of the material forming the substrate, and forming a first lower cladding layer on the sacrificial layer with a material having an etching rate lower than that of the sacrificial material A step of forming a heater on the first lower cladding layer, a step of forming a second lower cladding layer on the heater with a material having an etching rate smaller than that of the sacrificial material, and the second Forming a core extending linearly or in a curved line in a region including the region directly above the heater on the lower cladding layer, and forming the upper cladding layer with a material having an etching rate lower than that of the sacrificial material so as to cover the core. A step of forming, a region immediately above the heater in the upper clad layer and the second lower clad layer, and a front in the first lower clad layer. A step of forming a groove reaching the sacrificial layer or the substrate in a region sandwiching a region directly under the heater, and a position between the portion of the first lower cladding layer between the groove and the substrate through the groove; Etching the sacrificial layer to form a gap connected to the groove between a portion of the first lower cladding layer between the groove and the substrate; and the upper cladding layer and Forming a via connected to the heater in the second lower cladding layer.
[0038]
  Still another method for manufacturing a thermo-optic phase shifter according to the present invention includes a step of selectively forming a sacrificial layer having a thickness of 4 μm or more on a substrate with a sacrificial material having an etching rate higher than that of the material for forming the substrate. Forming a lower clad layer on the sacrificial layer with a material having an etching rate lower than that of the sacrificial material, and extending linearly or in a curved line to a region including the upper region of the sacrificial layer on the lower clad layer A step of forming a core, a step of forming an upper cladding layer with a material having an etching rate lower than that of the sacrificial material so as to cover the core, and heat generation in a region including the region directly above the core on the upper cladding layer Forming a heater for changing the phase of light in the optical waveguide comprising the lower clad layer, the core and the upper clad layer, and the upper clad And a step of forming a groove reaching the sacrificial layer or the substrate in a region sandwiching a region immediately below the heater in the lower clad layer, and removing the sacrificial layer by etching through the groove, the lower clad layer A gap of 4 μm or more connected to the groove is formed between a portion between the grooves in the substrate and the substrate.In addition, a strut portion is provided locally to support the clad layer portion sandwiched between the grooves with respect to the substrate in a part of the gap in the extending direction of the core.And a process.
[0039]
Still another method for manufacturing a thermo-optic phase shifter according to the present invention includes a step of selectively forming a sacrificial layer having a thickness of 4 μm or more on a substrate with a sacrificial material having an etching rate higher than that of the material for forming the substrate. A step of forming a first lower cladding layer on the sacrificial layer with a material having an etching rate lower than that of the sacrificial material, and a region including a region directly above the sacrificial layer on the first lower cladding layer. Forming a heater; forming a second lower cladding layer on the heater with a material having an etching rate lower than that of the sacrificial material; and a region immediately above the heater on the second lower cladding layer Forming a linear or curved core in a region including the upper cladding layer and a material having an etching rate lower than that of the sacrificial material so as to cover the core And a groove reaching the sacrificial layer or the substrate in a region directly above the heater in the upper cladding layer and the second lower cladding layer and a region sandwiching the region immediately below the heater in the first lower cladding layer. A step of forming and removing the sacrificial layer by etching through the groove, and having a thickness of 4 μm or more connected to the groove between the portion of the first lower cladding layer between the groove and the substrate. Forming a gap; and forming a via connected to the heater in the upper clad layer and the second lower clad layer.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line A1-A1 ′ shown in FIG. 2A to 2D are cross-sectional views showing the method of manufacturing the thermo-optic phase shifter according to this embodiment in the order of the steps.
[0041]
As shown in FIGS. 1A and 1B, in the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, a substrate 1 made of, for example, silicon and having a thickness of 0.8 mm is provided. Layer 2 is provided. The sacrificial layer 2 is formed of, for example, phosphorus-added silica glass (PSG) in which phosphorus is doped into glass, and the film thickness thereof is, for example, 5 μm. A cladding layer 13 is provided on the sacrificial layer 2. The clad layer 13 includes a lower clad layer 3 provided on the sacrificial layer 2 and an upper clad layer 5 provided on the lower clad layer 3. The lower cladding layer 3 and the upper cladding layer 5 are made of, for example, BPSG doped with boron and phosphorus in glass, and the film thicknesses thereof are, for example, 14 μm and 15 μm, respectively. The substrate 1 may be formed of a semiconductor other than silicon or an insulator such as quartz glass. The sacrificial layer 2 is not limited to PSG, and may be formed of a material having an etching rate higher than that of the substrate 1 and the cladding layer 13 and capable of selective etching with respect to the substrate 1 and the cladding layer 13. As long as it satisfies, it may be formed of, for example, a glass other than a semiconductor or PSG.
[0042]
A core 4 extending in a direction parallel to the surface of the substrate 1 is provided on the lower clad layer 3, and an upper clad layer 5 is provided so as to cover the core 4. An optical waveguide 14 is formed by the core 4 and the cladding layer 13 around the core 4. The shape of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core 4 is a rectangle having a height of, for example, 5.5 μm and a width of, for example, 5.5 μm. The core 4 is made of a material having a refractive index higher than that of the cladding layer 13, for example, GPSG (germanium / phosphorus-added silica glass), and the relative refractive index difference Δ between the core 4 and the cladding layer 13 is, for example, 0.8. 65%.
[0043]
Further, a thin film heater 6 is provided on the optical waveguide 14, that is, on the surface of the upper cladding layer 5. The thin film heater 6 is a thin film made of chromium, for example, and has a film thickness of 0.2 μm, for example. The thin film heater 6 includes electrode portions 6a at both ends and a heater portion 6b between the electrode portions 6a. The shape of the electrode portion 6a is, for example, a square, and the shape of the heater portion 6b is a thin line having a width of, for example, 10 μm and a length of, for example, 4 mm.
[0044]
  Furthermore, the region corresponding to the lower part of the thin film heater 6 in the cladding layer 13 and the sacrificial layer 2.Out ofBoth sides of the optical waveguide 14Area located atA groove 8 extending in parallel with the direction in which the core 4 extends is formed. That is, the groove 8 is formed in two places so as to sandwich the optical waveguide 14. The length of the groove 8 in the longitudinal direction, that is, the direction in which the core 4 extends is, for example, 4 mm, and the width of the groove 8, that is, the length in the direction orthogonal to the direction in which the core 4 extends is, for example, 250 μm. For example, the thickness is 29 μm. The distance between the grooves 8, that is, the ridge width of the optical waveguide 14 is, for example, 25 μm. Furthermore, the sacrificial layer 2 is removed and a gap 15 is formed between the optical waveguide 14 and the substrate 1. The height of the gap 15 is equal to the film thickness of the sacrificial layer 2 and is, for example, 5 μm. Thus, the optical waveguide 14 is separated from the cladding layer 13 other than the optical waveguide 14, the sacrificial layer 2, and the substrate 1 by the two grooves 8 and the gap 15, and has a bridge shape. The sacrificial layer 2 is formed on the entire surface of the substrate 1 except for the gap 15.The
[0045]
Next, a manufacturing method of the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment will be described. First, as shown in FIG. 2A, a sacrificial layer 2 is formed on a substrate 1 made of, for example, silicon and having a thickness of, for example, 0.8 mm by an atmospheric pressure chemical vapor deposition method (AP-CVD). Make it. The material for forming the sacrificial layer 2 may be any material that can be selectively etched with respect to the substrate 1 and the clad layer 13. For example, it may be a semiconductor or glass, but in this embodiment, it is PSG. The film thickness of the sacrificial layer 2 is, for example, 5 μm. Next, a glass film mainly composed of quartz, for example, BPSG, is formed to a thickness of, for example, 14 μm by AP-CVD, and the lower cladding layer 3 is formed. The PSG for forming the sacrificial layer 2 and the BPSG for forming the lower clad layer 3 can be continuously formed by AP-CVD by changing the doping element in the middle.
[0046]
Then, a thin film 4 a is formed on the lower clad layer 3 with a material having a refractive index larger than that of the lower clad layer 3. The thin film 4a is made of, for example, GPSG (germanium / phosphorus-doped silica glass) in which the mixing amount of germanium and phosphorus is adjusted so that the relative refractive index difference Δ with the lower cladding layer 3 is 0.65%. A film is formed to a thickness of, for example, 5.5 μm by CVD.
[0047]
Next, as shown in FIG. 2B, the thin film 4a is patterned by photolithography and reactive ion etching (RIE) to extend in a direction parallel to the surface of the substrate 1, and a cross section orthogonal to this direction is rectangular. The core 4 having a shape is formed. The width of the core 4 is, for example, 5.5 μm. Next, an upper cladding layer 5 made of, for example, BPSG is formed to a thickness of, for example, 15 μm so as to embed the core 4, thereby producing an embedded optical waveguide.
[0048]
Next, as shown in FIG. 2C, a metal film such as a chromium thin film is formed to a thickness of, for example, 0.2 μm, for example, by an electron beam evaporation method in a region immediately above the core 4 on the surface of the upper cladding layer 5. To do. Then, the thin film heater 6 is formed by patterning into a predetermined shape by photolithography and wet etching.
[0049]
  Thereafter, as shown in FIG. 2D, a resist 7 is formed so as to cover the upper cladding layer 5 and the thin film heater 6. In the resist 7, two openings 7a are formed on both sides of the thin film heater 6 by photolithography. The distance between the openings 7a is, for example, 25 μm. Then, etching is performed by RIE using the resist 7 as a mask, and regions corresponding to both sides of the thin film heater 6 in the cladding layer 13 and the sacrificial layer 2 are selectively removed, and a groove 8 having a depth reaching the substrate 1 is formed. .The groove 8 may be formed so as to reach the sacrificial layer 2.
[0050]
Then, as shown in FIG. 1B, wet etching of the sacrificial layer 2 is performed with a buffered hydrogen fluoride solution (BHF) through the groove 8 while leaving the resist 7 in order to protect the thin film heater 6. The sacrificial layer 2 located below the optical waveguide 14 is removed. As a result, a gap 15 is formed in a region between the substrate 1 and the cladding layer 13 between the grooves 8. The height of the gap 15 is equal to the film thickness of the sacrificial layer 2 and is, for example, 5 μm. At this time, when a buffered hydrogen fluoride solution (BHF) is used as the etching solution, the etching rate for PSG, which is the material of the sacrificial layer 2, is about 6 to 10 times the etching rate for BPSG, which is the material for the cladding layer 13. It becomes. Also, silicon that is the material of the substrate 1 is hardly etched. For this reason, the PSG film functions as a sacrificial layer. In this manner, the thermo-optic phase shifter of this example can be manufactured.
[0051]
Next, the operation of the thermo-optic phase shifter according to this embodiment will be described. Electric power is supplied to the thin film heater 6 by an external power source (not shown). As a result, the thin film heater 6 generates heat and raises the temperature of the optical waveguide 14 to change its refractive index, thereby changing the effective length of the optical waveguide 14. As a result, the phase at the output end (not shown) of the light incident on the optical waveguide 14 from the input end (not shown) can be changed.
[0052]
In this embodiment, since the optical waveguide 14 is separated from the substrate 1 and the cladding layer 13 other than the optical waveguide 14, the heat generated by the thin film heater 6 can be prevented from escaping to the substrate 1 and the cladding layer 13. The waveguide 14 can be efficiently heated. Note that the heat generated in the thin film heater 6 escapes somewhat through the longitudinal direction of the clad layer 13 and the air filled in the grooves 8 and the gaps 15. However, in the structure of the thermo-optic phase shifter of this embodiment, the heat is generated. Because there are few heat conduction paths, the amount of heat that escapes is extremely small. Therefore, the optical waveguide 14 can be efficiently heated. For this reason, the power consumption accompanying the driving of the thermo-optic phase shifter is extremely small.
[0053]
As the distance between the substrate 1 and the optical waveguide 14, that is, the gap 15 is increased, the heat insulating property of the optical waveguide 14 is improved and the power consumption of the thermo-optic phase shifter is reduced. By setting the height of the gap 15, that is, the thickness of the sacrificial layer 2 to 4 μm or more, the power consumption of the thermo-optic phase shifter can be further reduced by half to 20 mW or less from the conventional minimum value of 40 mW. For this reason, the gap 15 is preferably 4 μm or more.
[0054]
In this example, when light having a wavelength of 1550 nm was used as incident light, the amount of power required to make the phase shift amount half a wavelength was measured to be about 10 mW. This is an extremely small value corresponding to 1/40 of the power consumption of the conventional thermo-optic phase shifter. That is, when a 40-channel optical switch is manufactured by the thermo-optic phase shifter of this embodiment, this optical switch can be controlled with power for one channel of the optical switch by a normal thermo-optic phase shifter. Along with this, it is possible to reduce the size of the external package, such as simplification of the power supply circuit, and the device can be further reduced in size and scale.
[0055]
In this embodiment, since the optical waveguide 14 is separated from the substrate 1 and the cladding layer 13, the stress applied from the substrate 1 and the cladding layer 13 is small. Further, since the sacrificial layer 2 is as thin as about 5 μm, the stress acting on the optical waveguide 14 from the sacrificial layer 2 is small. Furthermore, since the substrate 1 is not etched, the stress applied from the substrate 1 to the optical waveguide 14 does not change according to the etching amount, and the substrate 1 does not become brittle by etching. Furthermore, since the sacrificial layer 2 is formed on the entire surface of the substrate 1 when the lower clad layer 3 is formed, the surface of the lower clad layer 3 becomes flat, and the core 4 is formed on the flat surface. Can be formed. For this reason, the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment has less polarization dependency due to stress, good optical characteristics, and high mechanical strength. Furthermore, since the thermo-optic phase shifter of this example does not use a polymer as its material, it has high heat resistance and excellent stability and reliability.
[0056]
The thermo-optic phase shifter according to the present embodiment is not damaged in the optical characteristics as compared with the conventional thermo-optic phase shifter, and a temperature (input power) at which a phase shift amount three times the wavelength can be obtained. It was confirmed that even when heated to about 60 mW, no breakage or the like due to thermal stress occurred and the mechanical strength was not a problem.
[0057]
Furthermore, in this embodiment, since there is no step of etching silicon, it is not necessary to use a strong acid such as hydrofluoric acid as an etching solution. Further, as described above, since the sacrificial layer 2 is formed on the entire surface of the substrate 1, no step is formed on the surface of the lower cladding layer 3, and the surface is flat. Further, the resist 7 provided for forming the groove 8 can be used as it is as the protective film of the thin film heater 6 after the groove 8 is formed. Thereby, it is not necessary to newly form a resist after the grooves 8 are formed. Furthermore, since no polymer is used as the material of the thermo-optic phase shifter, there is no restriction on annealing. For this reason, the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment is easy to manufacture. The manufacturing method of the thermo-optical phase shifter according to the present embodiment has very little changes from the conventional manufacturing method of the thermo-optical phase shifter, and it is not necessary to introduce a new etching apparatus or the like. Further, there is no process with a high load that causes a decrease in yield, and it can be immediately applied to any optical waveguide.
[0058]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3A is a plan view showing the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line A2-A2 ′ shown in FIG. Since the configuration and manufacturing method of the optical waveguide 14, the thin film heater 6, and the groove 8 in this embodiment are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted. The feature of the second embodiment is that the sacrificial layer 2 under the thin film heater 6 is all removed by etching in the first embodiment, but in this embodiment, a part of the sacrificial layer 2 is left and the column 2a. It is in having formed. The width of the sacrificial layer 2 (support 2a) to be left can be controlled by the etching time by clarifying the etching rate in advance.
[0059]
When the thermo-optical phase shifter is subjected to mechanical stress such as extremely strong vibration, the structure of the optical waveguide 14 in the first embodiment is the same as that of the suspension bridge, so that the optical waveguide 14 may break in some cases. There is. Even if the optical waveguide 14 is not broken, the optical waveguide 14 may be curved and come into contact with the substrate 1 or the clad layer 13 other than the optical waveguide 14, which may reduce the thermal efficiency and increase the power consumption. In order to support the optical waveguide 14, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-158413 discloses a method of stopping etching of a silicon substrate halfway. However, if a support is formed of a material having high thermal conductivity such as silicon, consumption is reduced. There arises a problem that the power is remarkably increased. Thus, there is a trade-off between securing strength and reducing power consumption. On the other hand, as in the present embodiment, the sacrificial layer 2 is made of PSG or the like having low thermal conductivity, and a part of the sacrificial layer 2 located immediately below the optical waveguide 14 is left to form the support 2a. By doing so, it is possible to significantly reduce power consumption as compared with the case where the support column is formed of silicon or the like having high thermal conductivity.
[0060]
The power consumption of the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment varies greatly depending on the width of the sacrificial layer 2 that remains, that is, the support column 2a. When the width of the support 2a was 5 μm and 10 μm, the power consumption at which a phase shift amount corresponding to a half wavelength with respect to light having a wavelength of 1550 nm was measured, and as a result, they were about 60 mW and about 120 mW, respectively. Therefore, the power consumption can be sufficiently achieved as compared with the conventional thermo-optic phase shifter. In addition, as compared with the case where the optical waveguide is completely separated from the substrate as in the first embodiment, 6 to 12 times as much power is required. However, in terms of mechanical strength, the thermo-optic phase shifter according to this embodiment is superior to the thermo-optic phase shifter according to the first embodiment. Therefore, the thermo-optic phase shifter according to the first embodiment and the thermo-optic phase shifter according to this embodiment may be selected according to the application.
[0061]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. 4A to 4D are cross-sectional views showing the method of manufacturing the thermo-optic phase shifter according to this embodiment in the order of the steps. FIG. 5A is a plan view showing the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line A3-A3 ′ shown in FIG. In the first embodiment, the sacrificial layer 2 is formed on the entire surface of the substrate 1 and the sacrificial layer 2 and the lower cladding layer 3 are continuously formed. In this embodiment, the sacrificial layer 2 is formed. It is characterized in that it is provided only in a region corresponding to the lower part of the thin film heater 6.
[0062]
Depending on the material for forming the sacrificial layer 2, an extremely large stress is generated by forming the sacrificial layer 2 on the entire surface of the substrate 1. For this reason, the optical characteristics of the optical waveguide 14 may be degraded, and film formation defects may occur in the formation of the optical waveguide. For this reason, in this embodiment, only the sacrificial layer 2 is first formed, and then patterned so that the sacrificial layer 2 remains only in the necessary portions.
[0063]
First, as shown in FIG. 4A, a sacrificial layer 2 is formed on the entire surface of the substrate 1. Then, the sacrificial layer 2 is patterned and selectively removed by photolithography and RIE. At this time, since the sacrificial layer 2 remains only under the thin film heater 6 and becomes a thin line, the film stress is released. As the material of the sacrificial layer 2, for example, PSG is used as in the first embodiment.
[0064]
Next, as shown in FIG. 4B, a lower clad layer 3, a core 4 and an upper clad layer 5 are formed on the sacrificial layer 2 by the same method as in the first embodiment. Next, as shown in FIG. 4C, a thin film heater 6 is formed in a region corresponding to the upper side of the sacrificial layer 2 on the surface of the upper cladding layer 5. Next, as shown in FIG. 4D, a resist 7 is formed on the upper cladding layer 5 and the thin film heater 6 as in the first embodiment described above. Then, the upper cladding layer 5, the lower cladding layer 3, and the sacrificial layer 2 are sequentially etched using the resist 7 as a mask, thereby forming etching grooves 8 on both sides of the optical waveguide 14.
[0065]
Thereafter, as shown in FIGS. 5A and 5B, the sacrificial layer 2 (see FIG. 4D) is wet-etched through the grooves 8 to remove the sacrificial layer 2. Thereby, the sacrificial layer 2 does not remain, and a thermo-optic phase shifter in which the lower clad layer 3 is provided on the substrate 1 can be manufactured outside the groove 8. The configuration and manufacturing method other than those described above in the present embodiment are the same as those in the first embodiment described above.
[0066]
In this embodiment, since the sacrificial layer is selectively etched, the process is increased by one step, but the stress generated in the sacrificial layer can be released. For this reason, the polarization dependence of the optical waveguide 14 can be further reduced, and the optical characteristics are further improved. Further, by patterning the sacrificial layer 2 in advance, there is no variation in etching when the sacrificial layer 2 is removed by wet etching, and it is possible to further improve the reliability and yield.
[0067]
Furthermore, BHF can be used as an etching solution by forming the sacrificial layer 2 by PSG. For this reason, as described in the above-mentioned Japanese Patent No. 3152182, it is not necessary to form a sacrificial layer with silicon and use hydrofluoric acid as an etching solution. For this reason, the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment is easier to manufacture than the thermo-optic phase shifter described in Japanese Patent No. 3152182.
[0068]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 6A is a plan view showing the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line A4-A4 ′ shown in FIG. This embodiment is an embodiment in which the second embodiment and the third embodiment are combined. As shown in FIGS. 6A and 6B, in this embodiment, the method for manufacturing the sacrificial layer 2 (see FIG. 4D) and the optical waveguide 14 is the same as that in the third embodiment. The feature of this embodiment is that the column 2a is formed while leaving a part of the sacrificial layer 2. The width of the sacrificial layer 2 to be left can be controlled by adjusting the etching time by clarifying the etching rate in advance. The reason for forming the support 2a is as described in the second embodiment, and the effect of reducing the power consumption is reduced, but the strength can be improved. For this reason, when a large mechanical strength is indispensable for the thermo-optic phase shifter, it can be used in place of the thermo-optic phase shifter according to the third embodiment described above. It is possible to balance power consumption.
[0069]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 7A is a plan view showing the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line A5-A5 ′ shown in FIG. FIGS. 8A to 8D are cross-sectional views showing the manufacturing method of the thermo-optic phase shifter according to this embodiment in the order of steps. In the first embodiment described above, the thin film heater 6 is formed on the surface of the upper clad layer 5, but in this embodiment, the thin film heater 6 is formed inside the lower clad layer 3. That is, the first lower clad layer 9 in which the lower clad layer 3 is formed on the sacrificial layer 2 and the second lower clad layer 10 formed on the first lower clad layer 9. The thin film heater 6 is formed on the first lower clad layer 9, and the second lower clad layer 10 is formed so as to embed the thin film heater 6. The second lower clad layer 10 and upper clad layer 5 are provided with vias 11 for supplying electric power to the electrode portion 6 a of the thin film heater 6.
[0070]
Next, a manufacturing method of the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment will be described. First, as shown in FIG. 8A, after the sacrificial layer 2 is formed on the substrate 1, a first lower clad layer 9 is formed, and a chromium film as a material for the thin film heater 6 is formed. Patterning. Next, as shown in FIG. 8B, the second lower cladding layer 10 is formed, the thin film heater 6 is embedded, and the thin film 4 a that is the material of the core 4 is formed. Next, as shown in FIG. 8C, the thin film 4a is patterned to form the core 4, and the upper cladding layer 5 is formed. Next, as shown in FIG. 8D, a groove 8 is formed and the sacrificial layer 2 is etched. Then, electrode vias 11 connected to the thin film heater 6 are formed in the upper clad layer 5 and the second lower clad layer 10. The electrode via 11 is formed by photolithography and RIE. Thereby, a thermo-optic phase shifter as shown in FIGS. 7A and 7B can be manufactured. The configuration and manufacturing method other than those described above in the present embodiment are the same as those in the first embodiment described above.
[0071]
In each of the first to fourth embodiments described above, the resist 7 (see FIG. 2D) used when forming the groove 8 is left after the groove 8 is formed, and the sacrificial layer 2 is formed. It is used to protect the thin film heater 6 during etching. However, when the material forming the optical waveguide is a semiconductor or the like, a strong acid may be used for etching the sacrificial layer, and the resist may not withstand the strong acid. Therefore, by providing the thin film heater 6 in the lower clad layer 3, it can be protected from strong acid. As a result, the manufacture of the thermo-optic phase shifter is facilitated and the reliability is improved.
[0072]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 9A is a plan view showing the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line A6-A6 ′ shown in FIG. This embodiment is a combination of the second embodiment and the fifth embodiment described above. That is, as shown in FIGS. 9A and 9B, the support column 2 a made of PSG is provided in the gap 15 between the substrate 1 and the optical waveguide 14. The method for forming the column 2a is the same as in the second embodiment. Further, the configuration and manufacturing method other than those described above in the present embodiment are the same as those in the fifth embodiment described above. In this embodiment, a large mechanical strength can be ensured, and the thin film heater can be protected regardless of the resist when the sacrificial layer is etched.
[0073]
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 10A is a plan view showing the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, and FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line A7-A7 'shown in FIG. FIGS. 11A to 11D are cross-sectional views showing the manufacturing method of the thermo-optic phase shifter according to this embodiment in the order of steps. This embodiment is a combination of the third embodiment and the fifth embodiment described above. In the fifth embodiment, the sacrificial layer 2 is formed on the entire surface of the substrate 1 and the sacrificial layer 2 and the lower clad layer 3 are continuously formed. In the present embodiment, the third layer described above is used. As in the first embodiment, the sacrificial layer 2 is provided only in the region corresponding to the lower portion of the thin film heater 6.
[0074]
That is, as shown in FIGS. 10A and 10B, in this embodiment, the lower cladding layer 3 of the optical waveguide 14 is separated from the first lower cladding layer 9 and the second lower cladding layer 10. The thin film heater 6 is arrange | positioned between both. The configuration other than the above in the present embodiment is the same as that of the third embodiment described above.
[0075]
Next, a manufacturing method of the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment will be described. First, as shown in FIG. 11A, the sacrificial layer 2 is selectively formed on the surface of the substrate 1 as in the third embodiment. Next, as shown in FIG. 11B, the first lower cladding layer 9, the thin film heater 6, and the second lower side are formed on the substrate 1 and the sacrificial layer 2 as in the fifth embodiment. The clad layer 10 and the thin film 4a are formed. Next, as shown in FIG. 11C, the thin film 4 a is patterned to form the core 4, and the upper cladding layer 5 is formed so as to cover the core 4. Next, as shown in FIG. 11 (d), a resist 7 is formed on the upper cladding layer 5, and the upper cladding layer 5 and the lower cladding layer 3 are etched using this resist 7 as a mask to form a groove 8. To do.
[0076]
Next, as shown in FIGS. 10A and 10B, the sacrificial layer 2 is removed by etching through the groove 8 to form a gap 15. Then, electrode vias 11 are formed in the upper cladding layer 5 and the second lower cladding layer 10.
[0077]
In the present embodiment, for the same reason as in the third embodiment, the stress of the sacrificial layer can be released to improve the optical characteristics and the mechanical strength. Further, the thin film heater 6 can be protected during etching for the same reason as in the fifth embodiment.
[0078]
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described. FIG. 12A is a plan view showing the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, and FIG. 12B is a sectional view taken along line A8-A8 'shown in FIG. As shown in FIGS. 12A and 12B, this embodiment is a combination of the above-described fourth embodiment and the fifth embodiment. In other words, this embodiment is the above-described embodiment. This embodiment is a combination of the second embodiment and the seventh embodiment. In this embodiment, a part of the sacrificial layer 2 is left in the gap 15 to form the support column 2a made of PSG. The configuration and manufacturing method other than those described above in the present embodiment are the same as those in the seventh embodiment described above. In the present embodiment, the optical characteristics and mechanical strength can be improved, and the thin film heater 6 can be protected during etching.
[0079]
  Next, a ninth embodiment of the present invention will be described. FIG. 13A is a plan view showing the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, FIG. 13B is a sectional view taken along line A9-A9 ′ shown in FIG. 13A, and FIG. It is sectional drawing by the B9-B9 'line shown. FIG. 13 (a)To (c)As shown in FIG. 4, in the thermo-optic phase shifter of this embodiment, the side surface 8a closer to the core 4 among the side surfaces parallel to the longitudinal direction of the groove 8, that is, the direction in which the core 4 extends, is As the end portion 8b is approached, it is curved so as to be away from the core 4. Thereby, the root part 14b in the bridge part 14a of the optical waveguide 14 is thicker than parts other than the root part 14b in the bridge part 14a. Further, in the region corresponding to the lower portion of the root portion 14b in the gap 15, the sacrificial layer 2 remains at the time of etching to form the support column 2a. The configuration other than the above in the present embodiment is the same as that of the first embodiment described above.
[0080]
In the thermo-optic phase shifter according to the first embodiment described above, the mechanically weakest part is the root part 14b of the bridge part 14a of the optical waveguide 14, and it is considered that the mechanical stress is concentrated most in this part. In the present embodiment, the root portion 14b is reinforced by forming a tapered shape. Thereby, the reliability of the thermo-optic phase shifter can be further improved. In order to manufacture the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, the photolithography mask pattern for patterning the resist 7 in the first embodiment described above may be changed. The thermo-optic phase shifter can be fabricated by the self-forming process as in the first embodiment without changing the fabrication process of the thermo-optic phase shifter in the first embodiment.
[0081]
Next, a tenth embodiment of the present invention will be described. FIG. 14A is a plan view showing the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, FIG. 14B is a cross-sectional view taken along line A10-A10 ′ shown in FIG. 14A, and FIG. It is sectional drawing by the B10-B10 'line shown. As shown in FIGS. 14A to 14C, in this embodiment, a beam 16 that supports the optical waveguide 14 with respect to the cladding layer 13 is provided in the middle of the bridge portion 14 a of the optical waveguide 14. . The beam 16 extends in a direction orthogonal to the direction in which the core 4 extends, and is provided so as to stretch the groove 8. The configuration other than the above in the present embodiment is the same as that of the first embodiment described above.
[0082]
In the first embodiment described above, when the bridge portion 14a of the optical waveguide 14 is elongated in the longitudinal direction, the degree of freedom in the lateral direction of the bridge portion 14a, that is, the direction orthogonal to the direction in which the core 4 extends increases. Depending on the case, the optical waveguide 14 may be bent in the middle and propagation loss may increase, or the cladding layer 13 may be in contact with a portion other than the optical waveguide 14 or the substrate 1 to impair the heat insulation.
[0083]
On the other hand, in this embodiment, by providing the beam 16, the degree of freedom in the lateral direction of the bridge portion 14a is reduced. Thereby, when the optical waveguide 14 receives external force, it can prevent that the bridge part 14a bends in a horizontal direction, and the reliability of a thermo-optic phase shifter improves. With such a structure, it is conceivable that the heat insulation is somewhat impaired. However, if the thermal conductivity of the material forming the beam 16 is sufficiently low, the thermal conduction path to the substrate 1 may be long. Yes, it is not a very large heat conduction path. In order to manufacture the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, the photolithography mask pattern for patterning the resist 7 in the first embodiment described above may be changed. The thermo-optic phase shifter can be fabricated by the self-forming process as in the first embodiment without changing the fabrication process of the thermo-optic phase shifter in the first embodiment. The number of beams 16 is not limited to one on the left and right, and a plurality of beams may be provided on the left and right.
[0084]
Next, an eleventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 15A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, FIG. 15B is a cross-sectional view taken along line A11-A11 ′ shown in FIG. 15A, and FIG. It is sectional drawing by the B11-B11 'line shown. As shown in FIGS. 15A to 15C, in this embodiment, the column 2 a is provided in the gap 15 below the central portion in the longitudinal direction of the bridge portion 14 a of the optical waveguide 14. The support 2a is made of the same material as the sacrificial layer 2 (see FIG. 1D), that is, PSG. The support column 2a is provided on the substrate 1, supports the optical waveguide 14 with respect to the substrate 1, and reduces the degree of freedom in the vertical direction of the bridge portion 14a. In addition, the width | variety 14c equivalent to the upper direction of the support | pillar 2a in the bridge part 14a is larger than the other part.
[0085]
In the first embodiment described above, when the bridge portion 14a of the optical waveguide 14 becomes longer in the longitudinal direction, the degree of freedom in the lateral direction of the bridge portion 14a increases, and in some cases, the optical waveguide 14 bends in the middle. There is a possibility that the propagation loss increases or the heat insulating property is impaired due to contact with the substrate 1.
[0086]
Therefore, in the present embodiment, this can be prevented by providing support columns at appropriate positions. It is conceivable that the heat insulation is impaired by adopting such a structure, but the support column is made of PSG having lower thermal conductivity than the substrate, and the size of the support column is about 10 μm in the vertical and horizontal directions. If so, the heat conductivity is sufficiently low, and the heat conduction path is not so large. Similarly to the ninth and tenth embodiments described above, in order to manufacture the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, photolithography for patterning the resist 7 in the first embodiment described above. The mask pattern may be changed so that a portion 14c having a width wider than other portions is formed in the optical waveguide 14. Thereby, at the time of etching the sacrificial layer 2, the sacrificial layer 2 remains below the portion 14c, and the support column 2a is formed. As described above, in this example, the thermo-optic phase shifter manufacturing process in the first example other than the mask shape is not changed, and the self-forming process is performed in the same manner as in the first example. A phase shifter can be manufactured. In addition, the number of support | pillars 2a is not limited to one, You may provide two or more.
[0087]
Next, a twelfth embodiment of the present invention will be described. FIG. 16A is a plan view showing the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, FIG. 16B is a sectional view taken along line A12-A12 ′ shown in FIG. 16A, and FIG. It is sectional drawing by the B12-B12 'line shown. As shown in FIGS. 16A to 16C, this embodiment is a combination of the tenth embodiment and the eleventh embodiment. In the present embodiment, the beam 16 and the column 2a are provided in the middle of the bridge portion 14a. The configuration and manufacturing method other than those described above in the present embodiment are the same as those in the first embodiment described above.
[0088]
When the thermo-optic phase shifter is used in an environment where the structure of the ninth, tenth, and eleventh embodiments is insufficient in strength, the structure of the present embodiment can be used as a side of the bridge portion 14a. Both the degree of freedom in the direction and the degree of freedom in the vertical direction are reduced, and the strength can be ensured while sacrificing some reduction in power consumption. The change to this structure can be realized only by changing the photolithographic mask pattern used for forming the etching groove, and can be realized by the self-forming process without changing the manufacturing process.
[0089]
Next, a thirteenth embodiment of the present invention is described. FIG. 17A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, FIG. 17B is a cross-sectional view taken along line A13-A13 ′ shown in FIG. It is sectional drawing by the B13-B13 'line shown. FIGS. 18A to 18D are cross-sectional views showing the manufacturing method of the thermo-optical phase shifter according to this embodiment in the order of the steps, and FIG. It is a top view which shows the process shown in FIG.18 (c).
[0090]
As shown in FIGS. 17A to 17C, in the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, the support column 12 is formed in a part of the gap 15. The support column 12 is formed of a material having an etching rate larger than that of the sacrificial layer 2 (see FIG. 1D). For example, when the sacrificial layer 2 is formed of PSG, the support column 12 is formed of, for example, BPSG. Yes. The support column 12 is provided in a part in the longitudinal direction of the bridge portion 14a, supports the bridge portion 14a with respect to the substrate 1, and reduces the degree of freedom in the vertical direction.
[0091]
Next, a manufacturing method of the thermo-optic phase shifter according to the present embodiment will be described. First, as shown in FIG. 18A, the sacrificial layer 2 is formed on the substrate 1 by, for example, PSG. Then, a part of the sacrificial layer 2 is removed by photolithography and RIE, and a BPSG film is embedded in the part to form the pillars 12. Next, as shown in FIG. 18B, the lower clad layer 3 and the thin film 4a are formed by the same method as in the first embodiment.
[0092]
Next, as shown in FIGS. 18C and 19, the thin film 4 a is patterned to form the core 4, and the upper cladding layer 5 is formed. Then, as shown in FIG. 18D, a thin film heater 6 is formed on the upper clad layer 5.
[0093]
Next, as shown in FIGS. 17A to 17C, two grooves 8 are formed at positions sandwiching the optical waveguide 14, and the sacrificial layer 2 below the optical waveguide 14 is removed by etching to remove gaps. 15 is formed. At this time, the column 12 made of BPSG remains without being etched. The configuration and manufacturing method other than those described above in the present embodiment are the same as those in the first embodiment described above.
[0094]
As described above, in the eleventh embodiment described above, the pillars are formed by stopping the side etching of the sacrificial layer at a desired time. However, in this embodiment, the sacrificial layer is first etched into a part of the sacrificial layer. In this case, the column portion is made of a material that is not etched at the time. Thereby, for example, when the etching rate of the sacrificial layer is extremely high and it is difficult to stop the etching on the way, the support columns are self-formed, so that the reliability and reproducibility of the manufacturing process can be improved.
[0095]
In each of the above-described embodiments, the case where the optical waveguide is a buried type waveguide has been described. However, the structure of the optical waveguide in the thermo-optic phase shifter of the present invention is not limited to this, and for example, a ridge type waveguide In this case, the effect of the present invention can be sufficiently expected. Further, the shape of the thin film heater is not limited to a single linear shape, and may be a shape obtained by combining a plurality of straight lines or a curved shape, and raises the core of the optical waveguide to a desired temperature. It is only necessary to generate heat that can induce a change in refractive index.
[0096]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, in the thermo-optic phase shifter, an optical waveguide composed of a core and a cladding layer is formed on a substrate, and a gap of 4 μm or more is provided between the substrate and the optical waveguide. In addition, it is possible to improve the heat insulation properties of the optical waveguide with respect to the substrate, and to obtain a thermo-optic phase shifter having good optical characteristics, strength, stability and reliability and low power consumption. The thermo-optic phase shifter can be easily manufactured by a method generally used in large-scale electronic integrated circuits. For this reason, the present invention is an extremely useful technique for realizing miniaturization, high functionality, and large scale of an optical circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line A1-A1 ′.
FIGS. 2A to 2D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a thermo-optic phase shifter according to the present embodiment in the order of steps.
3A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line A2-A2 ′.
FIGS. 4A to 4D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a thermo-optic phase shifter according to a third embodiment of the present invention in the order of steps. FIGS.
5A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to the present embodiment, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line A3-A3 ′.
6A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line A4-A4 ′.
7A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line A5-A5 ′.
FIGS. 8A to 8D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a thermo-optic phase shifter according to the present embodiment in the order of steps. FIGS.
9A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to a sixth embodiment of the present invention, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line A6-A6 ′.
10A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to a seventh embodiment of the present invention, and FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line A7-A7 '.
FIGS. 11A to 11D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a thermo-optic phase shifter according to the present embodiment in the order of steps. FIGS.
12A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to an eighth embodiment of the present invention, and FIG. 12B is a cross-sectional view taken along line A8-A8 '.
13A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to a ninth embodiment of the present invention, and FIG. 13B is a cross-sectional view taken along line A9-A9 ′ shown in FIG. (c) is sectional drawing by the B9-B9 'line shown to (a).
14A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to a tenth embodiment of the present invention, and FIG. 14B is a cross-sectional view taken along line A10-A10 ′ shown in FIG. (c) is sectional drawing by the B10-B10 'line shown to (a).
15A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to an eleventh embodiment of the present invention, and FIG. 15B is a sectional view taken along line A11-A11 ′ shown in FIG. (c) is sectional drawing by the B11-B11 'line shown to (a).
16A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to a twelfth embodiment of the present invention, and FIG. 16B is a sectional view taken along line A12-A12 ′ shown in FIG. (c) is sectional drawing by the B12-B12 'line | wire shown to (a).
FIG. 17A is a plan view showing a thermo-optic phase shifter according to a thirteenth embodiment of the present invention, and FIG. 17B is a sectional view taken along line A13-A13 ′ shown in FIG. (c) is sectional drawing by the B13-B13 'line shown to (a).
18A to 18D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a thermo-optic phase shifter according to the present embodiment in the order of steps.
FIG. 19 is a plan view showing the step shown in FIG. 18C in the manufacturing method of the thermo-optic phase shifter according to the embodiment.
[Explanation of symbols]
1; substrate
2; Sacrificial layer
2a; support
3; Lower cladding layer
4; Core
4a; thin film
5: Upper cladding layer
6; Thin film heater
6a; electrode part
6b: Heater part
7; resist
7a; opening
8; Groove
8a; side
8b; end
9: First lower cladding layer
10; second lower cladding layer
11: Via
12; strut
13: Clad layer
14: Optical waveguide
14a: Bridge-shaped part
14b; root
14c; part
15; gap
16; Beam

Claims (27)

基板と、この基板上に設けられた犠牲層と、この犠牲層上に設けられたクラッド層と、このクラッド層内に直線又は曲線状に設けられ光導波路を構成するコアと、このコアの直上域又は直下域を含む領域に設けられ発熱することにより前記光導波路の光の位相を変化させるヒータと、を有し、前記犠牲層及び前記クラッド層における前記ヒータの少なくとも直下域を挟む領域に溝が形成されており、前記溝に挟まれた前記犠牲層が除去されて、前記溝に連結された4μm以上の隙間が形成されていることを特徴とする熱光学位相シフタ。A substrate, a sacrificial layer provided on the substrate, a clad layer provided on the sacrificial layer, a core provided in a straight line or a curved line in the clad layer and constituting an optical waveguide, and immediately above the core A heater provided in a region including a region or a region directly underneath to change the phase of light of the optical waveguide by generating heat, and a groove in a region sandwiching at least the region directly under the heater in the sacrificial layer and the cladding layer The thermo-optic phase shifter is characterized in that the sacrificial layer sandwiched between the grooves is removed to form a gap of 4 μm or more connected to the grooves. 前記隙間における前記コアが延びる方向の一部に局部的に設けられ、前記クラッド層における前記溝間の部分を前記基板に対して支持する支柱部を有することを特徴とする請求項1に記載の熱光学位相シフタ。  2. The support portion according to claim 1, further comprising a column portion that is locally provided in a part of the gap in a direction in which the core extends and supports a portion between the grooves in the cladding layer with respect to the substrate. Thermo-optic phase shifter. 基板と、この基板上に設けられ前記基板を形成する材料よりもエッチング速度が大きい犠牲材料により形成された犠牲層と、この犠牲層上に設けられ前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により形成されたクラッド層と、このクラッド層内に直線又は曲線状に設けられ光導波路を構成するコアと、このコアの直上域又は直下域を含む領域に設けられ発熱することにより前記光導波路の光の位相を変化させるヒータと、を有し、前記犠牲層及び前記クラッド層における前記ヒータの少なくとも直下域を挟む領域に溝が形成されており、前記溝に挟まれた前記犠牲層がエッチングにより除去され、前記クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に前記溝に連結された隙間と、前記隙間における前記コアが延びる方向の一部に局部的に設けられ、前記溝に挟まれた前記クラッド層部分を前記基板に対して支持する支持部を有することを特徴とする熱光学位相シフタ。  A substrate, a sacrificial layer formed on the substrate and formed by a sacrificial material having a higher etching rate than the material forming the substrate, and a material provided on the sacrificial layer and having a lower etching rate than the sacrificial material The clad layer formed in the clad layer in a straight line or a curved line and constituting an optical waveguide, and provided in a region including a region directly above or directly below the core to generate heat, thereby generating light of the optical waveguide. And a groove is formed in a region sandwiching at least a region immediately below the heater in the sacrificial layer and the clad layer, and the sacrificial layer sandwiched between the grooves is removed by etching. A gap connected to the groove between the portion of the cladding layer between the groove and the substrate, and a part of the gap in a direction in which the core extends. Parts manner provided, the thermal optical phase shifter characterized in that it has a support portion for supporting the cladding layer portion sandwiched between the grooves with respect to the substrate. 前記支柱部が前記犠牲材料により形成されていることを特徴とする請求項3に記載の熱光学位相シフタ。  The thermo-optic phase shifter according to claim 3, wherein the support portion is made of the sacrificial material. 前記支柱部が前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により形成されていることを特徴とする請求項3に記載の熱光学位相シフタ。  The thermo-optic phase shifter according to claim 3, wherein the support portion is made of a material having an etching rate smaller than that of the sacrificial material. 前記犠牲材料の熱伝導率が、前記基板を形成する材料の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする請求項3乃至5のいずれか1項に記載の熱光学位相シフタ。  6. The thermo-optic phase shifter according to claim 3, wherein the thermal conductivity of the sacrificial material is smaller than the thermal conductivity of the material forming the substrate. 前記犠牲材料がリンを含むガラス材料であり、前記クラッド層を形成する材料がボロン及びリンを含むガラス材料であることを特徴とする請求項3乃至6のいずれか1項に記載の熱光学位相シフタ。  7. The thermo-optical phase according to claim 3, wherein the sacrificial material is a glass material containing phosphorus, and the material forming the cladding layer is a glass material containing boron and phosphorus. Shifter. 前記隙間が4μm以上であることを特徴とする請求項3乃至7のいずれか1項に記載の熱光学位相シフタ。  The thermo-optic phase shifter according to claim 3, wherein the gap is 4 μm or more. 前記支柱部が、前記コアが延びる方向の一部に形成されていることを特徴とする請求項2及び3乃至5のいずれか1項に記載の熱光学位相シフタ。  The thermo-optic phase shifter according to any one of claims 2 and 3 to 5, wherein the support portion is formed in a part of a direction in which the core extends. 前記クラッド層における前記溝間の部分において、前記支柱の直上域を含み前記コアが延びる方向に直交する断面の幅が、前記支柱の直上域を含まず前記コアが延びる方向に直交する断面の幅よりも大きいことを特徴とする請求項に記載の熱光学位相シフタ。In the portion between the grooves in the cladding layer, the width of the cross section that includes the region directly above the support column and orthogonal to the direction in which the core extends is equal to the width of the cross section that does not include the region directly above the support column and orthogonal to the direction in which the core extends. The thermo-optic phase shifter according to claim 9 , wherein the thermo-optic phase shifter is larger than the thermo-optic phase shifter. 前記溝を張架するように設けられ、前記クラッド層における前記溝間の部分を、この部分と共に前記溝を挟む部分に対して支持する支持梁を有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の熱光学位相シフタ。Provided to tension said groove, a portion between the grooves in the cladding layer, of claims 1 to 10, characterized in that it has a support beam for supporting against the portion sandwiching the groove with this part The thermo-optic phase shifter according to any one of claims. 前記溝における前記コアが延びる方向に平行な側面のうち前記コアに近い側の側面は、前記コアが延びる方向における端部において、前記方向における端縁に近づくにつれて前記コアから離れるように湾曲していることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の熱光学位相シフタ。Of the side surfaces parallel to the direction in which the core extends in the groove, the side surface closer to the core is curved so as to move away from the core as it approaches the edge in the direction at the end in the direction in which the core extends. thermo-optic phase shifter according to any one of claims 1 to 11, characterized in that there. 前記ヒータが前記クラッド層の表面に設けられていることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の熱光学位相シフタ。Thermo-optic phase shifter according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the heater is provided on a surface of the clad layer. 前記ヒータが前記クラッド層中に設けられていることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の熱光学位相シフタ。Thermo-optic phase shifter according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the heater is provided in the cladding layer. 前記コア及び前記クラッド層が石英を含むガラス材料により形成されていることを特徴とする請求項1及至14のいずれか1項に記載の熱光学位相シフタ。The thermo-optic phase shifter according to any one of claims 1 to 14 , wherein the core and the cladding layer are made of a glass material containing quartz. 前記コアを形成するガラス材料がゲルマニウムを含むことを特徴とする請求項15に記載の熱光学位相シフタ。The thermo-optic phase shifter according to claim 15 , wherein the glass material forming the core contains germanium. 前記基板が石英を含むガラス材料又はシリコンにより形成されていることを特徴とする請求項1及至16のいずれか1項に記載の熱光学位相シフタ。The thermo-optic phase shifter according to any one of claims 1 to 16 , wherein the substrate is made of a glass material containing quartz or silicon. 基板上にこの基板を形成する材料よりもエッチング速度が大きい犠牲材料により犠牲層を形成する工程と、この犠牲層上に前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により下側クラッド層を形成する工程と、この下側クラッド層上に直線又は曲線状に延びるコアを形成する工程と、このコアを覆うように前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により上側クラッド層を形成する工程と、この上側クラッド層上における前記コアの直上域を含む領域に発熱することにより前記下側クラッド層、コア及び上側クラッド層からなる光導波路の光の位相を変化させるヒータを形成する工程と、前記上側クラッド層及び下側クラッド層における前記ヒータの直下域を挟む領域に前記犠牲層又は基板まで到達する溝を形成する工程と、この溝を介して前記下側クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に位置する前記犠牲層をエッチングして除去し、前記下側クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に前記溝に連結された隙間を形成すると共に、前記隙間における前記コアが延びる方向の一部に前記溝に挟まれた前記クラッド層部分を前記基板に対して支持する支柱部を局部的に設ける工程と、を有することを特徴とする熱光学位相シフタの製造方法。  Forming a sacrificial layer on the substrate with a sacrificial material having an etching rate higher than that of the material forming the substrate, and forming a lower clad layer on the sacrificial layer with a material having an etching rate lower than that of the sacrificial material. And forming a linear or curved core on the lower cladding layer, forming an upper cladding layer with a material having an etching rate smaller than that of the sacrificial material so as to cover the core, Forming a heater that changes the phase of light in the optical waveguide composed of the lower clad layer, the core, and the upper clad layer by generating heat in a region including the region directly above the core on the clad layer; and the upper clad layer And forming a groove reaching the sacrificial layer or the substrate in a region sandwiching a region directly below the heater in the lower clad layer, and The sacrificial layer located between the substrate and the portion between the groove in the lower cladding layer is removed by etching, and between the portion between the groove and the substrate in the lower cladding layer In addition to forming a gap connected to the groove, a support column part is provided locally to support the clad layer portion sandwiched by the groove with respect to the substrate in a part of the gap in a direction in which the core extends. And a process for producing a thermo-optic phase shifter. 基板上にこの基板を形成する材料よりもエッチング速度が大きい犠牲材料により犠牲層を形成する工程と、この犠牲層上に前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により第1の下側クラッド層を形成する工程と、この第1の下側クラッド層上にヒータを形成する工程と、このヒータ上に前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により第2の下側クラッド層を形成する工程と、この第2の下側クラッド層上における前記ヒータの直上域を含む領域に直線又は曲線状に延びるコアを形成する工程と、このコアを覆うように前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により上側クラッド層を形成する工程と、前記上側クラッド層及び前記第2の下側クラッド層における前記ヒータの直上域並びに前記第1の下側クラッド層における前記ヒータの直下域を挟む領域に前記犠牲層又は基板まで到達する溝を形成する工程と、この溝を介して前記第1の下側クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に位置する前記犠牲層をエッチングして除去し、前記第1の下側クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に前記溝に連結された隙間を形成する工程と、前記上側クラッド層及び第2の下側クラッド層に前記ヒータに接続するビアを形成する工程と、を有することを特徴とする熱光学位相シフタの製造方法。  Forming a sacrificial layer on the substrate with a sacrificial material having an etching rate higher than that of the material forming the substrate; and forming a first lower cladding layer on the sacrificial layer with a material having an etching rate lower than that of the sacrificial material. Forming a heater on the first lower cladding layer, forming a second lower cladding layer on the heater with a material having an etching rate smaller than that of the sacrificial material, Forming a core extending linearly or in a curved line in a region including the region directly above the heater on the second lower cladding layer, and covering the core with a material having an etching rate lower than that of the sacrificial material. A step of forming a cladding layer; and a region directly above the heater in the upper cladding layer and the second lower cladding layer and the first lower cladding layer. Forming a groove reaching the sacrificial layer or the substrate in a region sandwiching a region directly below the heater, and a portion between the groove and the substrate in the first lower cladding layer via the groove Etching and removing the sacrificial layer located on the first clad layer, and forming a gap connected to the trench between the substrate and the portion between the trench in the first lower clad layer, and the upper clad Forming a via connected to the heater in the layer and the second lower cladding layer. A method of manufacturing a thermo-optic phase shifter, comprising: 前記犠牲層の膜厚を4μm以上とすることを特徴とする請求項18又は19に記載の熱光学位相シフタの製造方法。20. The method of manufacturing a thermo-optic phase shifter according to claim 18, wherein the thickness of the sacrificial layer is 4 [mu] m or more. 基板上にこの基板を形成する材料よりもエッチング速度が大きい犠牲材料により膜厚が4μm以上の犠牲層を選択的に形成する工程と、この犠牲層上に前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により下側クラッド層を形成する工程と、この下側クラッド層上における前記犠牲層の上方域を含む領域に直線又は曲線状に延びるコアを形成する工程と、このコアを覆うように前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により上側クラッド層を形成する工程と、この上側クラッド層上における前記コアの直上域を含む領域に発熱することにより前記下側クラッド層、コア及び上側クラッド層からなる光導波路の光の位相を変化させるヒータを形成する工程と、前記上側クラッド層及び下側クラッド層における前記ヒータの直下域を挟む領域に前記犠牲層又は基板まで到達する溝を形成する工程と、この溝を介して前記犠牲層をエッチングして除去し、前記下側クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に前記溝に連結された4μm以上の隙間を形成すると共に、前記隙間における前記コアが延びる方向の一部に前記溝に挟まれた前記クラッド層部分を前記基板に対して支持する支柱部を局部的に設ける工程と、を有することを特徴とする熱光学位相シフタの製造方法。  A step of selectively forming a sacrificial layer having a thickness of 4 μm or more on a substrate with a sacrificial material having an etching rate higher than that of the material forming the substrate, and a material having an etching rate lower than that of the sacrificial material on the sacrificial layer A step of forming a lower clad layer, a step of forming a core extending linearly or in a curved line in a region including an upper region of the sacrificial layer on the lower clad layer, and the sacrificial material so as to cover the core Forming an upper clad layer with a material having a lower etching rate than the above, and generating light in a region including the region directly above the core on the upper clad layer, thereby forming an optical beam composed of the lower clad layer, the core, and the upper clad layer. A step of forming a heater that changes the phase of light in the waveguide, and a region immediately below the heater in the upper cladding layer and the lower cladding layer. Forming a groove reaching the sacrificial layer or the substrate in a region, etching the sacrificial layer through the groove, and removing the sacrificial layer between the portion of the lower clad layer and the substrate A strut portion that forms a gap of 4 μm or more connected to the groove and supports the clad layer portion sandwiched by the groove to a part of the gap in a direction in which the core extends is locally provided. A method of manufacturing a thermo-optic phase shifter. 基板上にこの基板を形成する材料よりもエッチング速度が大きい犠牲材料により膜厚が4μm以上の犠牲層を選択的に形成する工程と、この犠牲層上に前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により第1の下側クラッド層を形成する工程と、この第1の下側クラッド層上における前記犠牲層の直上域を含む領域にヒータを形成する工程と、このヒータ上に前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により第2の下側クラッド層を形成する工程と、この第2の下側クラッド層上における前記ヒータの直上域を含む領域に直線又は曲線状に延びるコアを形成する工程と、このコアを覆うように前記犠牲材料よりもエッチング速度が小さい材料により上側クラッド層を形成する工程と、この上側クラッド層及び第2の下側クラッド層における前記ヒータの直上域並びに前記第1の下側クラッド層における前記ヒータの直下域を挟む領域に前記犠牲層又は基板まで到達する溝を形成する工程と、この溝を介して前記犠牲層をエッチングして除去し、前記第1の下側クラッド層における前記溝間の部分と前記基板との間に前記溝に連結された4μm以上の隙間を形成する工程と、前記上側クラッド層及び第2の下側クラッド層に前記ヒータに接続するビアを形成する工程と、を有することを特徴とする熱光学位相シフタの製造方法。  A step of selectively forming a sacrificial layer having a thickness of 4 μm or more on a substrate with a sacrificial material having an etching rate higher than that of the material forming the substrate, and a material having an etching rate lower than that of the sacrificial material on the sacrificial layer A step of forming a first lower cladding layer, a step of forming a heater in a region on the first lower cladding layer including a region immediately above the sacrificial layer, and the sacrificial material on the heater. Forming a second lower cladding layer with a material having a low etching rate, and forming a core extending linearly or in a curved line in a region including the region directly above the heater on the second lower cladding layer; A step of forming an upper clad layer with a material whose etching rate is lower than that of the sacrificial material so as to cover the core, and the upper clad layer and the second lower clad layer Forming a groove reaching the sacrificial layer or the substrate in a region directly above the heater and a region directly below the heater in the first lower cladding layer, and etching the sacrificial layer through the groove Forming a gap of 4 μm or more connected to the groove between the substrate and the portion between the grooves in the first lower cladding layer, and removing the upper cladding layer and the second cladding layer. Forming a via connected to the heater in a lower clad layer, and a method of manufacturing a thermo-optic phase shifter. 前記犠牲層をエッチングする工程において、前記コアと前記基板との間に位置する犠牲層の一部を、前記コアが延びる方向の一部に局部的に残留させることにより、前記下側クラッド層における前記溝間の部分を前記基板に対して支持する支柱部を形成することを特徴とする請求項19又は22に記載の熱光学位相シフタの製造方法。In the step of etching the sacrificial layer, a part of the sacrificial layer located between the core and the substrate is locally left in a part in a direction in which the core extends, whereby the lower clad layer The method of manufacturing a thermo-optic phase shifter according to claim 19 or 22 , wherein a support portion that supports a portion between the grooves with respect to the substrate is formed. 前記犠牲層、前記下側クラッド層、前記コア、前記上側クラッド層のうち少なくとも1つを常圧化学気相成膜法により成膜することを特徴とする請求項18又は21に記載の熱光学位相シフタの製造方法。The thermo-optic according to claim 18 or 21 , wherein at least one of the sacrificial layer, the lower cladding layer, the core, and the upper cladding layer is formed by an atmospheric pressure chemical vapor deposition method. Manufacturing method of phase shifter. 前記犠牲層、前記第1の下側クラッド層、前記第2の下側クラッド層、前記コア、前記上側クラッド層のうち少なくとも1つを常圧化学気相成膜法により成膜することを特徴とする請求項19又は22に記載の熱光学位相シフタの製造方法。At least one of the sacrificial layer, the first lower cladding layer, the second lower cladding layer, the core, and the upper cladding layer is formed by an atmospheric pressure chemical vapor deposition method. The method for producing a thermo-optic phase shifter according to claim 19 or 22 . 前記犠牲層をエッチングする工程において、緩衝フッ化水素溶液により犠牲層をエッチングすることを特徴とする請求項18乃至25のいずれか1項に記載の熱光学位相シフタの製造方法。26. The method of manufacturing a thermo-optic phase shifter according to claim 18, wherein in the step of etching the sacrificial layer, the sacrificial layer is etched with a buffered hydrogen fluoride solution. 前記溝を形成する際に、前記支柱の直上域を含み前記コアが延びる方向に直交する断面における前記犠牲層の幅を、前記支柱の直上域を含まず前記コアが延びる方向に直交する断面における前記犠牲層の幅よりも大きくすることにより、前記犠牲層をエッチングする工程において、エッチング工程完了までの時間に差を部分的に生じさせ、前記支柱部を局部的に形成することを特徴とする請求項18乃至26のいずれか1項に記載の熱光学位相シフタの製造方法。When forming the groove, the width of the sacrificial layer in the cross section that includes the region directly above the support column and orthogonal to the direction in which the core extends is set to By making the width larger than the width of the sacrificial layer, in the step of etching the sacrificial layer, a difference is partially caused in the time until the etching step is completed, and the support column is formed locally. The manufacturing method of the thermo-optic phase shifter of any one of Claims 18 thru | or 26 .
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